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El carburo de silicio impulsa una mayor utilización y mejor rendimiento de los Cargadores a Bordo (Onboard Chargers)

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Kevin Keller, Product Line Manager, onsemi

Los vehículos eléctricos están logrando una enorme aceptación en varios formatos (híbrido, eléctrico puro, etc.) pese a la persistente “preocupación por la autonomía”. Los fabricantes de automóviles siguen trabajando para prolongar la autonomía y reducir los tiempos de carga con el fin de superar este importante obstáculo hacia una mayor adopción de esta tecnología. La manera de cargar los vehículos eléctricos influye mucho sobre la usabilidad del vehículo y su carácter práctico. Dado que el número de estaciones de carga de alta potencia instaladas es limitado, una considerable proporción de los propietarios de vehículos eléctricos sigue confiando en sus cargadores a bordo (onboard chargers, OBC) para cargar sus vehículos. Para mejorar el rendimiento del OBC, los fabricantes de automóviles están recurriendo a nuevas tecnologías como el carburo de silicio (SiC). Este artículo técnico explica la importancia de los OBC y cómo los avances en los semiconductores de potencia llevarán su rendimiento al siguiente nivel.

En el mercado actual existe una amplia gama de sistemas de propulsión de vehículos, desde vehículos basados únicamente en un motor de combustión interna (internal combustion engine, ICE) hasta modelos híbridos que combinan un ICE y la energía eléctrica (xHEV), así como vehículos eléctricos (xEV). Hay dos tipos de xHEV: vehículos eléctricos microhíbridos (MHEV) y vehículos eléctricos totalmente híbridos (FHEV).

Los MHEV utilizan principalmente un ICE e incorporan una pequeña batería que suele ser de 48V. Sin embargo, no pueden funcionar solo con energía eléctrica, y el motor eléctrico contribuye a disminuir el consumo de combustible de forma modesta.

Los FHEV ofrecen una mayor flexibilidad ya que pueden combinar el ICE y el motor eléctrico, que es alimentado por una batería que suele funcionar en un rango de 100-300 V. Los FHEV también recargan sus baterías a través del frenado regenerativo al capturar la energía durante el frenado para mejorar la eficiencia.

Todos los xEV, incluidos los híbridos enchufables y los vehículos eléctricos puros con batería (BEV), incorporan sistemas de frenado regenerativo. No obstante, dado que las capacidades de sus baterías son más elevadas, estos vehículos dependen mucho de los OBC para recargar sus baterías.

vehiculos electricos mhev

Figura 1: En la actualidad se utilizan muchos tipos de vehículos eléctricos, como MHEV, FHEV, PHEV y BEV.

El cargador más sencillo consiste en poco más que un cable para conectar el OBC del vehículo eléctrico a un enchufe (generalmente necesita una protección de conexión a tierra). Aunque resultan prácticos, estos sistemas generalmente residenciales de Nivel 1 (o SAE AC Nivel 1 tal como se define en la norma J1772) funcionan a unos 1,2 kW y añaden hasta 8 km de autonomía por hora de carga. Los sistemas de Nivel 2 (o SAE AC Nivel 2) suelen utilizar una alimentación en corriente alterna (CA) multifase de la red eléctrica y se suelen encontrar en edificios públicos y centros comerciales. Sus potencias de hasta 22 kW permiten añadir hasta 150 km de autonomía por hora de carga.

Los cargadores de Nivel 1 y Nivel 2 suministran CA al vehículo eléctrico, por lo que el OBC es imprescindible para convertir la entrada de CA en la salida de corriente continua (CC) para cargar la batería. La mayoría de los cargadores desplegados por el momento son de Nivel 2.

Los cargadores CC de alta potencia, denominados cargadores CC de Nivel 3, SAE Nivel 1 y 2 o cargadores IEC Modo 4, suministran una tensión CC y pueden cargar la batería directamente, por lo que no necesitan un OBC. Los niveles de potencia de estos cargadores CC varía entre 50 kW y más de 350 kW, que permiten una carga de hasta el 80% de la capacidad de la batería en unos 15-20 minutos. Ante los elevados niveles de potencia y los cambios requeridos en la infraestructura de la red eléctrica, el número de cargadores rápidos sigue siendo relativamente limitado, si bien está aumentando con rapidez.

Muchos fabricantes de automóviles se hallan en plena transición de las baterías de 400V a 800V. Este cambio tiene como objetivo aumentar la autonomía del vehículo eléctrico, lo cual mejora la eficiencia del sistema, potencia el rendimiento, acelera las velocidades de carga y reduce el peso de los cables y las baterías.

Anatomía de un OBC

Un OBC suele estar constituido por un convertidor de potencia de dos etapas con una etapa de corrección del factor de potencia (PFC) seguida de un convertidor CC/CC aislado. Vale la pena destacar que es posible recurrir a una configuración no aislada pero no se suele usar. La etapa de PFC rectifica la entrada de CA, disminuye el factor de potencia a >0,9 y genera una tensión de bus regulada para la etapa CC/CC.

Durante los últimos años se ha producido un incremento significativo de la demanda de sistemas bidireccionales. Estos sistemas permiten a los vehículos eléctricos invertir el flujo de alimentación de la batería a la fuente, desempeñando varias funciones como el equilibrio dinámico de la carga de la red eléctrica (V2G: vehicle-to-grid, es decir, del vehículo a la red eléctrica) o gestionar los cortes de suministro eléctrico (V2L: vehicle-to-load, es decir, del vehículo a la carga).

El enfoque tradicional de la PFC consiste en utilizar un puente de diodo rectificador junto con un convertidor elevador. El puente rectificador convierte la tensión CA en tensión CC, mientras que el convertidor elevador incrementa el nivel de tensión. Una versión mejorada de este circuito básico es la topología elevadora intercalada en la que hay varias etapas de conversión conectadas en paralelo para disminuir la corriente de rizado y mejorar la eficiencia. Estas topologías PFC suelen utilizan tecnologías de silicio como MOSFET de superunión y un diodo de baja Vf.

La aparición de semiconductores de potencia de banda prohibida ancha (wide bandgap, WBG), y en concreto de SiC, ha permitido desarrollar nuevas técnicas de diseño debido a las ventajas que ofrecen sus pérdidas más bajas en conmutación, su menor RDS(on) y un diodo estructural con una baja recuperación inversa.

La topología totem-pole sin puente ha ganado popularidad en aplicaciones PFC de media a alta potencia, generalmente de 6,6 kW o más. La Figura 2 muestra esta topología, donde el ramal lento (Q5-Q6) conmuta a la frecuencia de la red (50-60 Hz) y el ramal rápido (Q1-Q4) da forma a la corriente, incrementa la tensión y funciona a una frecuencia más elevada (suele ser 65-110 kHz) en modo de conmutación dura. Si bien la topología totem-pole sin puente mejora notablemente la eficiencia y disminuye el número de componentes de potencia, añade complejidad al control.

topologia totem pole

Figura 2: Topología totem-pole sin puente.

La etapa CC/CC suele emplear una topología aislada y utiliza un transformador para el aislamiento con el objetivo principal de regular la tensión de salida en función del estado de la carga de la batería. Aunque se podría recurrir a topologías de medio puente, las soluciones actuales se suelen basar en convertidores DAB (dual-active-bridge), como convertidores resonantes (p.ej., LLC o CLLC) o convertidores PSFB (phase-shifted full bridge). Los convertidores resonantes, en especial LLC y CLLC, han ganado mucha atención gracias a sus numerosas ventajas, como un amplio rango de funcionamiento en conmutación suave, capacidad de funcionamiento bidireccional y facilidad de integración del inductor resonante y el transformador en un solo transformador de potencia.

convertidor cc bidireccional

Figura 3: Un convertidor CC/CC bidireccional permite devolver energía a la red cuando hay picos de demanda.

SiC en aplicaciones de OBC

Los dispositivos de SiC de 650 V suelen ser los preferidos para baterías de
400 V. No obstante, cuando se trata de arquitecturas de 800 V, la tensión más elevada hace que se necesiten dispositivos cuya tensión nominal sea de 1200 V.

La adopción del SiC en los OBC se puede atribuir a su excepcional rendimiento según varios factores de mérito. En efecto, el SiC destaca en aspectos como RDS(on) por superficie, pérdidas en conmutación, diodo de recuperación inversa y tensión de ruptura. Estas ventajas permiten que las soluciones basadas en SiC funcionen de manera fiable a temperaturas más elevadas. Gracias a este superior rendimiento es posible obtener diseños más eficientes y ligeros. En consecuencia, los sistemas pueden alcanzar unos mayores niveles de potencia (hasta 22 kW) que quedan fuera del alcance de las soluciones tradicionales basadas en silicio (IGBT o superunión).

Si bien un OBC de mayor potencia en un vehículo eléctrico no tiene por qué proporcionar una mayor autonomía, sí desempeña un papel primordial para abordar el problema de la preocupación por la autonomía al reducir de modo significativo los tiempos de carga. El nivel de potencia de los OBC está el aumento para poder acortar los tiempos de la carga. La tecnología de SiC es clave para conseguir que estos sistemas sean más eficientes al garantizar una conversión eficiente desde la red sin desperdiciar energía. Como resultado de ello se pueden diseñar sistemas de OBC más compactos, ligeros y fiables.

Las estimaciones de autonomía añadida por hora de tiempo de carga se basan en un consumo de energía del vehículo de 13 kWh/100 km.