Cumpliendo la promesa de ampliación de la gama EV de SiC en inversores de tracción
Hay dos interrupciones importantes que actualmente afectan el futuro del transporte vehicular y la tecnología de semiconductores. Estamos adoptando un medio nuevo y emocionante para propulsar nuestros vehículos de forma limpia con energía eléctrica, al mismo tiempo que rediseñamos los materiales semiconductores que sustentan los subsistemas de los vehículos eléctricos (EV) para maximizar la eficiencia energética y, a su vez, la autonomía de conducción de los EV.
Los reguladores gubernamentales continúan exigiendo que los OEM automotrices reduzcan el CO general2 emisiones de sus flotas de vehículos, con multas estrictas por incumplimiento, y la infraestructura de carga de vehículos eléctricos está comenzando a proliferar junto a nuestras carreteras y áreas de estacionamiento. Sin embargo, a pesar de todos estos avances, la adopción de los vehículos eléctricos por parte de los consumidores principales sigue atrofiada por las preocupaciones persistentes sobre las limitaciones de la autonomía de los vehículos eléctricos.
Para complicar las cosas, los tamaños de batería EV más grandes que podrían extender el rango EV y neutralizar la ansiedad de los consumidores amenazan con aumentar simultáneamente los precios EV: la batería representa más del 25% del costo final del vehículo.
Afortunadamente, la revolución de los semiconductores que se está produciendo en paralelo ha producido nuevos dispositivos de brecha de banda ancha, como los interruptores de potencia MOSFET de carburo de silicio (SiC), que pueden ayudar a reducir la brecha entre las expectativas de rango EV de los consumidores y la capacidad de los OEM para satisfacerlas con estructuras de costos competitivas.
Según Anuj Narain, gerente de plataforma de energía en uno de los líderes en dispositivos de energía de SiC, Wolfspeed, “se espera ampliamente que los MOSFET de SiC, por sus propios méritos, agreguen entre un 5 % y un 10 % más de alcance para un ciclo de conducción EV estándar como en comparación con las tecnologías existentes basadas en silicio”. Debido a esto, son una parte importante de la próxima generación de inversores de tracción en el tren de transmisión EV. Si se explota adecuadamente con componentes de apoyo, su aumento de eficiencia energética podría representar un gran paso adelante en la construcción de la confianza del consumidor en el rango EV y ayudar a acelerar la adopción de EV.
Figura 1. Elementos de conversión de potencia en vehículos eléctricos. El inversor de tracción convierte el voltaje de CC de la batería HV en formas de onda de CA para accionar el motor, que a su vez impulsa el automóvil.
Aprovechar al máximo la tecnología SiC
Los beneficios inherentes de los interruptores de potencia basados en SiC con respecto a la densidad de potencia y la eficiencia son bien conocidos, con implicaciones clave para la refrigeración y el tamaño del sistema. La evolución a SiC promete inversores 3 veces más pequeños a 800 V/250 kW, con un tamaño adicional significativo y ahorros de costos en los condensadores de película de enlace de CC complementarios. En comparación con el silicio convencional, los interruptores de alimentación de SiC pueden permitir un mejor alcance y/o un paquete de batería reducido, lo que brinda a los interruptores una comparación de costos favorable desde el nivel del dispositivo hasta el nivel del sistema.
Figura 2. La cadena de señal de la batería al motor. Para cumplir con la extensión del rango, cada bloque debe diseñarse para el más alto nivel de eficiencia.
En la intersección de estas consideraciones de rango y costo, el inversor de tracción sigue siendo el epicentro de las innovaciones destinadas a desbloquear una mayor eficiencia EV y ganancias de rango. Y como el elemento más costoso y funcionalmente importante del inversor de tracción, los interruptores de potencia de SiC deben controlarse con mucha precisión para obtener el beneficio total del costo adicional del interruptor.
Figura 3. Formas de onda de voltaje y corriente al encender (izquierda) y apagar (derecha). En entornos de SiC, dv/dt superará los 10 V/ns, lo que significa que no se necesitan más de 80 ns para conmutar una tensión de 800 V CC. De manera similar, se puede observar un tipo de di/dt de 10 A/ns, es decir, 800 A en 80 ns.
De hecho, todas las ventajas intrínsecas del interruptor de SiC se verían anuladas por las perturbaciones de ruido de modo común, así como por un sobreimpulso de voltaje extremadamente alto y destructivo debido a transitorios de voltaje y corriente ultrarrápidos (dv/dt y di/dt) generados en un entorno mal administrado. Entorno de los interruptores de potencia. En términos generales, el conmutador SiC tiene una función relativamente simple a pesar de la tecnología subyacente (es solo un dispositivo de 3 terminales), pero debe conectarse cuidadosamente a los sistemas.
Introduzca el controlador de la puerta
El controlador de compuerta aislado se encargará de establecer el mejor punto óptimo de conmutación, asegurando un retardo de propagación corto y preciso a través de la barrera de aislamiento, mientras proporciona aislamiento de seguridad y del sistema, controlando el sobrecalentamiento del interruptor de alimentación, detectando y protegiendo contra cortocircuitos y facilitando la inserción de la función de accionamiento/interruptor de subbloque en un sistema ASIL D.
Figura 4. El controlador de puerta aislado une el mundo de la señal (unidad de control) y el mundo de la energía (interruptor SiC). Además del aislamiento y el almacenamiento en búfer de la señal, el controlador realiza funciones de telemetría, protección y diagnóstico, lo que lo convierte en el elemento clave de la cadena de la señal.
Sin embargo, los transitorios de alta velocidad de respuesta introducidos por el interruptor SiC pueden corromper la transmisión de datos a través de la barrera de aislamiento, por lo que es fundamental medir y comprender la susceptibilidad a estos transitorios. iAcoplador®
La tecnología patentada de ADI ha demostrado inmunidad transitoria de modo común (CMTI) líder con rendimientos medidos de hasta 200 V/ns y más. Esto desbloquea todo el potencial del tiempo de conmutación de SiC bajo una operación segura.
Figura 5. ADI ha sido pionera en avances en tecnología de aislamiento digital durante más de 20 años con iAcoplador de circuitos integrados de aislamiento digital. La tecnología está compuesta por un transformador con aislamiento grueso de poliimida. Los aisladores digitales utilizan procesos CMOS de fundición. Los transformadores son diferenciales y proporcionan una excelente inmunidad transitoria en modo común.
Los cortocircuitos son otro desafío importante para los interruptores de potencia basados en SiC, dados los tamaños de matriz más pequeños y las envolventes térmicas exigentes. Los controladores de compuerta brindan las protecciones contra cortocircuitos esenciales para la confiabilidad, seguridad y optimización del ciclo de vida del tren de potencia EV.
Los controladores de compuerta de alto rendimiento han demostrado su valor en pruebas del mundo real con proveedores líderes de interruptores de potencia MOSFET de SiC como Wolfspeed. En todos los parámetros clave, incluido el tiempo de detección de cortocircuitos y el tiempo total de eliminación de fallas, el rendimiento se puede lograr hasta 300 ns y 800 ns, respectivamente. Para mayor seguridad y protección, los resultados de las pruebas han demostrado las capacidades ajustables de apagado suave esenciales para el buen funcionamiento del sistema.
La energía de conmutación y la compatibilidad electromagnética (EMC) también se pueden maximizar para mejorar el rendimiento energético y el rango EV. Una mayor capacidad de accionamiento permite a los usuarios tener tasas de borde más rápidas y, por lo tanto, reduce las pérdidas por conmutación. Esto no solo ayuda con la eficiencia, sino que también permite ahorrar espacio en la placa y ahorrar costos al eliminar la necesidad de búferes externos asignados por controlador de puerta. Por el contrario, bajo ciertas condiciones, es posible que el sistema deba cambiar más lentamente para lograr una eficiencia óptima, o incluso en etapas, que los estudios han demostrado que pueden aumentar aún más la eficiencia. ADI proporciona una velocidad de giro ajustable para permitir que los usuarios hagan esto, y la eliminación de los búferes externos elimina otros obstáculos.
Elementos en un sistema
Es importante tener en cuenta que el valor y el rendimiento combinados del controlador de compuerta y la solución de interruptor de SiC pueden verse completamente anulados por compromisos y/o ineficiencias en los componentes circundantes. La herencia de ADI en energía y detección, y nuestro enfoque a nivel de sistema para la optimización del rendimiento, abarcan una amplia gama de consideraciones de diseño.
Una visión holística del EV revela oportunidades adicionales para optimizar la eficiencia energética del tren de transmisión, que son fundamentales para explotar la capacidad máxima utilizable de la batería y garantizar operaciones seguras y confiables. La calidad del BMS impacta directamente en las millas por carga que puede entregar un EV, maximiza la vida útil general de la batería y, como resultado, reduce el costo total de propiedad (TCO).
En términos de administración de energía, la capacidad de superar los desafíos complejos de interferencia electromagnética (EMI), sin comprometer los costos de la lista de materiales o el espacio de la placa de circuito impreso, se vuelve primordial. La eficiencia energética, el rendimiento térmico y el empaquetado siguen siendo consideraciones críticas en la capa de fuente de alimentación, independientemente de si la capa es para un circuito de fuente de alimentación de controlador de compuerta aislado o un circuito auxiliar de CC a CC de alto voltaje a bajo voltaje. En todos los casos, la capacidad de neutralizar los problemas de EMI adquiere mayor importancia para los diseñadores de vehículos eléctricos. EMC es un punto crítico cuando se trata de cambiar para múltiples fuentes de alimentación, y EMC superior puede contribuir en gran medida a acortar los ciclos de prueba y reducir las complejidades de diseño, acelerando así el tiempo de comercialización.
Más profundo en el ecosistema de componentes de soporte, los avances en la detección magnética han producido una nueva generación de sensores de corriente sin contacto que no ofrecen pérdida de energía con un alto ancho de banda y precisión, así como sensores de posición precisos y robustos para configuraciones de extremo y fuera del eje. . Hay entre 15 y 30 sensores de corriente destinados a implementarse en un EV híbrido enchufable típico,1
con sensores de rotación y posición que monitorean las funciones del motor de tracción. La precisión de detección y la solidez del campo errante son atributos críticos para medir y mantener la eficiencia en los subsistemas de energía de los vehículos eléctricos.
Eficiencia de extremo a extremo
Mirando holísticamente todos los elementos en el tren de potencia EV, desde la batería hasta el inversor de tracción, los componentes de soporte y más allá, ADI ve innumerables oportunidades para mejorar EV de una manera que mejora la eficiencia energética general y amplía el rango de conducción EV. El aislamiento digital es una de las muchas partes importantes de la ecuación a medida que la tecnología de conmutación de potencia SiC penetra en el inversor de tracción EV.
Del mismo modo, los OEM automotrices pueden aprovechar un enfoque multidisciplinario para la optimización de EV para ayudar a garantizar que todos los dispositivos de control y monitoreo de energía disponibles funcionen en conjunto para lograr el máximo rendimiento y eficiencia. A su vez, pueden ayudar a superar las últimas barreras que quedan para la adopción de EV por parte de los consumidores (autonomía y costo del vehículo), al mismo tiempo que ayudan a garantizar un futuro más verde para todos.
Referencias
1 Ricardo Dixon. "Sensores MEMS para el automóvil del futuro". 4ta Cumbre Anual de Sensores Automotrices y Electrónicafebrero de 2019.
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