Xuning Zhang and Kevin Speer
Microchip Technology
Los diseñadores de sistemas de alimentación de alto voltaje se han esforzado por satisfacer las necesidades de innovación continua de los clientes cuando utilizan MOSFETs e IGBTs de silicio. A menudo no es posible alcanzar la fiabilidad deseada sin sacrificar la eficiencia, ni las soluciones basadas en el silicio pueden cumplir los exigentes requisitos actuales de tamaño, peso y coste. Sin embargo, con la llegada de los MOSFET de carburo de silicio (SiC) de alto voltaje, los diseñadores tienen ahora la oportunidad de mejorar el rendimiento, al tiempo que resuelven todos los demás retos.
Los productos SiC de 1700 V actuales se basan en el éxito de los dispositivos de potencia SiC de 650 V a 1200 V que se han ido adoptando cada vez más en los últimos 20 años. La tecnología ya ha permitido importantes avances en los equipos finales; y ahora, con los dispositivos de potencia de 1700 V, está ampliando las innumerables ventajas de la tecnología de SiC a nuevos segmentos del mercado final, como los vehículos eléctricos comerciales y pesados, la tracción de trenes ligeros y sistemas de alimentación auxiliar, las energías renovables y los accionamientos industriales, entre otros.
Los diseñadores pueden maximizar las ventajas que ofrecen los MOSFETs SiC de 1700 V con el encapsulado de potencia adecuado y la conducción de puerta apropiada. Esto aumenta sus ventajas respecto a las soluciones de silicio actuales en la gama más amplia posible de niveles de potencia.
Beneficios en los niveles de potencia más bajos
Los beneficios de los transistores MOSFET SiC de 1700 V comienzan en niveles de potencia tan bajos como decenas o cientos de vatios. La tecnología SiC es la solución ideal para la fuente de alimentación auxiliar (AuxPS) que se utiliza en prácticamente todos los sistemas de electrónica de potencia. Sin una AuxPS, no hay forma de alimentar los controladores de puerta, los circuitos de detección y control o los ventiladores de refrigeración. Debido a sus funciones críticas, la fiabilidad es la máxima prioridad para las aplicaciones AuxPS.
Una de las formas en que los MOSFET SiC de 1700 V ayudan a mitigar los fallos de AuxPS es a través de su alta tensión de ruptura, su menor resistencia específica de encendido y su rápida velocidad de conmutación. En conjunto, estos atributos permiten un diseño de circuito más simplificado utilizando la topología flyback de un solo interruptor (véase la Figura 1). En comparación, las soluciones basadas en el silicio o bien tienen una tensión nominal demasiado baja para esta topología (lo que hace necesaria una arquitectura de dos interruptores y duplica el riesgo de fallos), o bien sacrifican el rendimiento por la tensión nominal. Además, no están disponibles en suficientes proveedores y son más caras que los dispositivos de SiC.
Al permitir la topología flyback de un solo interruptor, los MOSFET SiC de 1700 V facilitan que las actuales fuentes de alimentación conmutadas aisladas de bajo consumo admitan diversos requisitos de entrada y salida. Pueden aceptar una entrada de corriente continua de alto voltaje (300V a 1000V) y dar salida a una fuente de bajo voltaje (5V a 48V). La topología flyback de un solo interruptor mejora la simplicidad y reduce el número de componentes y el coste global asociado.
Además de su mayor fiabilidad, su esquema de control menos complejo, su menor número de componentes y su menor coste, una AuxPS que utilice MOSFETs SiC de 1700V también puede ser más compacta. La resistencia de estado activado normalizada por área, también llamada resistencia de activado específica (Ron,sp), , de los MOSFET SiC es una fracción de la que presentan los MOSFET de silicio. Esto significa que se pueden utilizar paquetes más pequeños para las matrices más pequeñas, y que se reducen las pérdidas de conducción, lo que en última instancia puede dar lugar a la reducción (o eliminación) del tamaño y el gasto de los disipadores de calor. Los MOSFET SiC también tienen menos pérdidas de conmutación, lo que permite reducir el tamaño, el peso y el coste de los transformadores al aumentar la frecuencia de conmutación.
La figura 2 muestra el grado de mejora de la eficiencia de los distintos dispositivos SiC disponibles en función de la potencia de salida. Con los dispositivos más eficientes de hoy en día, los diseñadores de sistemas pueden incluso implementar la refrigeración pasiva, es decir, no se necesita un disipador de calor.
Los beneficios crecen a medida que aumenta la potencia procesada
El impacto de la conmutación más rápida y eficiente de la tecnología SiC aumenta a medida que se incrementa la potencia procesada. Si se sube la escala de potencia a decenas o cientos de kilovatios (kW), hay muchas aplicaciones para la tecnología SiC. La figura 3 muestra un inversor trifásico de varios kW (75 kW en este ejemplo) y su topología. Se puede encontrar en la tracción de vehículos eléctricos, en los cargadores de vehículos eléctricos, en los inversores solares, en los SAI y en los accionamientos de motores, entre otros.
La figura 4 compara la eficiencia de este diseño de inversor que utiliza módulos de potencia de 1700 V en un encapsulado de baja inductancia con la de otros semiconductores de potencia. El módulo SiC demostró una eficiencia máxima del 99,4% a 10 kHz. Incluso cuando la frecuencia de conmutación se triplicó a 30 kHz, el módulo SiC seguía ofreciendo una mayor eficiencia que los IGBT de silicio. Esto permite reducir los pesados y costosos componentes del filtro a sólo un tercio de su tamaño original.
En general, los MOSFET reducen las pérdidas de conmutación en una media del 80% en comparación con los IGBT de silicio, lo que permite a los convertidores aumentar la frecuencia de conmutación al tiempo que se reduce el tamaño, el peso y el coste de los voluminosos y costosos transformadores. Las pérdidas de conducción de los MOSFET SiC y de los IGBT de silicio son similares bajo cargas pesadas, pero es más importante considerar las llamadas condiciones de «carga ligera» en las que muchas aplicaciones pasan la mayor parte de su vida útil. Entre ellas se encuentran los inversores solares situados bajo una estructura de sombra o en días nublados; los convertidores de turbinas eólicas que funcionan en días tranquilos; y las puertas de los trenes que sólo se abren/cierran periódicamente gracias a las unidades de potencia auxiliar (APUs) de transporte. Los MOSFET SiC reducen las pérdidas de conducción en comparación con los IGBT de silicio en estos casos de uso, lo que complementa sus reducidas pérdidas de conmutación. La combinación de menores pérdidas de conducción y conmutación permite a los diseñadores reducir o eliminar el disipador de calor u otras medidas de gestión térmica.
Al igual que en las aplicaciones AuxPS de menor potencia, los MOSFETs SiC utilizados en este rango de mayor potencia mejoran la fiabilidad al permitir a los diseñadores utilizar una topología de circuito y un esquema de control más simplificados. Esto, a su vez, reduce el número de componentes y los costes asociados. En estas aplicaciones, las necesidades de entrega de mayor potencia de los convertidores de media potencia requieren el uso de una tensión de bus de corriente continua más alta, normalmente entre 1000V y 1300V. Para maximizar la eficiencia, los diseñadores que utilizan transistores de silicio a estas altas tensiones de enlace de corriente continua han tenido que elegir tradicionalmente entre unas pocas arquitecturas complejas de circuitos de tres niveles. Algunos ejemplos son el circuito de diodo con punto neutro (NPC o Neutral Point Clamped), el circuito NPC activo (ANPC) y el circuito tipo T. Esto cambia con los MOSFET SiC de 1700 V, que permiten a los diseñadores utilizar el circuito de dos niveles con la mitad del número de dispositivos y un control mucho más racionalizado. Por ejemplo, un sistema que antes utilizaba IGBT de silicio en una topología de circuito de tres niveles podría utilizar la mitad (o menos) de módulos MOSFET SiC de 1700 V en una topología de dos niveles más fiable.
La figura 5 muestra hasta qué punto los diseñadores pueden reducir el número total de piezas de los circuitos de tipo NPC, ANPC y T con la tecnología SiC. Sin tener en cuenta las ventajas de la conexión en paralelo de varias unidades en cada posición de conmutación, las distintas arquitecturas de circuitos utilizadas con IGBT tienen entre 4 y 6 veces más componentes que una solución SiC. Al reducirse el número de unidades, también se reduce el número de controladores de puerta y se simplifica el esquema de control.
Pasando a la escala de aplicaciones en megavatios
Las aplicaciones a escala de megavatios van desde los transformadores de estado sólido (SST) y los sistemas de distribución de corriente continua de media tensión hasta las unidades de potencia de tracción (TPU) en vehículos comerciales y pesados. Otras aplicaciones son los inversores solares centrales y los convertidores eólicos en alta mar, así como los sistemas de conversión de energía a bordo de barcos. La figura 6 muestra un ejemplo de convertidor modular multinivel.
En las aplicaciones dentro de este rango de potencia de varios megavatios, un convertidor para un transformador de estado sólido como el mostrado anteriormente utiliza múltiples niveles de celdas de potencia conectadas en serie para satisfacer los requisitos de tensión. Cada celda puede ser un medio puente o un puente completo. Algunos diseñadores optan incluso por arquitecturas de tres niveles. El uso de soluciones modulares basadas en una célula de unidad básica mejora la escalabilidad y minimiza el mantenimiento. Estas células unitarias, a veces denominadas bloques o submódulos de electrónica de potencia, se configuran como convertidores de puente H en cascada o convertidores modulares multinivel (MMC).
Para implementar estas celdas unitarias, los diseñadores han utilizado históricamente IGBT de silicio de 1200V a 1700V. Cuando se sustituyen por MOSFETs SiC de 1700V en el nivel de la celda unitaria, se produce el mismo efecto que el descrito en las aplicaciones de menor potencia: mejor capacidad de control de la potencia y rendimiento eléctrico. Las menores pérdidas de conmutación de los MOSFET SiC de 1700 V permiten aumentar la frecuencia de conmutación. El tamaño de cada celda unitaria se reduce drásticamente, y la alta tensión de bloqueo de 1700V reduce el número de celdas unitarias necesarias para la misma tensión de enlace de corriente continua. En última instancia, esto aumenta la fiabilidad del sistema gracias a la reducción del número de celdas, al tiempo que se reduce el coste al utilizar menos interruptores activos y controladores de puerta. Por ejemplo, cuando se utiliza una solución SiC de 1700 V en un transformador de estado sólido que funciona en una línea de distribución de media tensión de 10 kV, el número de células conectadas en serie puede reducirse en un 30% en comparación con las que utilizan alternativas de silicio.
Importancia del encapsulado de potencia y la conducción adecuada de la Puerta
Dado que los MOSFET SiC pueden conmutar altos niveles de potencia a velocidades muy elevadas, existen efectos secundarios que deben mitigarse, como el ruido y las interferencias electromagnéticas (EMI), así como un tiempo de resistencia al cortocircuito limitado y una sobretensión causada por la inductancia parásita y el sobrecalentamiento. El típico convertidor de media potencia apaga cientos de amperios a través de un bus de 1000V – 1300V en menos de un microsegundo.
Microchip dispone de opciones de encapsulado de módulos MOSFET SiC que reducen significativamente la inductancia parásita. Entre ellos se encuentran los encapsulados de medio puente con tan sólo < 2,9 nanohenrios (nH) de inductancia parásita perdida, lo que maximiza la corriente, la frecuencia de conmutación y la eficiencia (véase la figura 7). Estos tipos de encapsulados también ofrecen una mayor densidad de potencia y un factor de forma compacto, lo que permite una menor cantidad de módulos en paralelo para conseguir sistemas completos, lo que ayuda a reducir aún más el tamaño de los equipos.
Además de minimizar la inductancia del encapsulado y optimizar el diseño del sistema, los diseñadores también pueden utilizar un nuevo método de conducción de la puerta diseñado específicamente para mitigar los efectos secundarios de la mayor velocidad de conmutación de los MOSFET SiC. Los actuales controladores de puerta digitales, configurables, inteligentes y de acción rápida, reducen los excesos de tensión de drenaje-fuente (VDS) hasta en un 80% en comparación con el enfoque analógico tradicional y reducen las pérdidas de conmutación hasta en un 50%. También reducen el tiempo de comercialización en hasta seis meses y proporcionan nuevas capacidades de conmutación aumentadas.
Estas capacidades permiten a los diseñadores explorar configuraciones y reutilizarlas para diferentes parámetros de los controladores de puerta, como los perfiles de conmutación de la puerta, los monitores críticos del sistema y los ajustes de la interfaz del controlador. Pueden ajustar rápidamente los controladores de puerta para que sean compatibles con muchas aplicaciones diferentes sin necesidad de realizar ninguna modificación de hardware, lo que reduce el tiempo de desarrollo desde la evaluación hasta la producción. También pueden cambiar los parámetros de control a lo largo del proceso de diseño, y cambiar los perfiles de conmutación sobre el terreno según sea necesario y/o si los MOSFET SiC se degradan.
Las ofertas actuales de MOSFET de SiC también deberían formar parte de un ecosistema integral SiC que proporcione una ruta directa desde la evaluación hasta la producción. Esto incluye opciones de módulos personalizables, así como controladores de puerta digitales que permiten a los usuarios optimizar el rendimiento del sistema y reducir el tiempo de comercialización con un click del ratón. Otros elementos del ecosistema incluyen placas adaptadoras de módulos de referencia, un módulo de alimentación de baja inductancia SP6LI, hardware de montaje y conectores para el termistor y la tensión continua, además de un kit de programación para el software configurable. Los productos discretos complementarios completan el ecosistema.
Una secuencia de beneficios
En un continuo de aplicaciones de conversión de potencia, desde vatios hasta megavatios, los MOSFET SiC de alto voltaje están haciendo que los diseñadores superen los compromisos de las soluciones de silicio para impulsar la innovación en el desarrollo de sistemas de conversión de potencia. Aumentan la fiabilidad al tiempo que reducen el coste y, al mismo tiempo, disminuyen el tamaño y el peso de los convertidores y sistemas de potencia más eficientes. Cuando se utilizan con una conducción digital inteligente de la puerta, los MOSFET SiC de 1700 V ofrecen su mayor valor posible. Microchip ofrece una amplia cartera de componentes SiC resistentes y fiables en forma de pastillas, discretos y módulos de potencia, así como soluciones de control de puerta digital, que permiten al diseñador adoptar SiC con facilidad, rapidez y confianza.
