Los vehículos eléctricos alcanzan una distancia un 5% más grande si utilizan un suministrador de SiC de confianza

Jonathan Liao, Sr. Product Line Manager, Automotive Traction Solutions, onsemi

La adopción de vehículos eléctricos (VE) está en aumento gracias a la creciente demanda de los consumidores, la concienciación y la normativa medioambiental, y las opciones disponibles. Según un reciente estudio de Goldman Sachs, las ventas de VE representaron el 10% de las ventas de coches en todo el mundo durante 2023. Para 2030 se prevé que esta proporción haya aumentado hasta el 30%; en 2035, las ventas de VE podrían llegar a la mitad de todos los coches vendidos. No obstante, la “preocupación por la autonomía”, es decir, el temor a no poder recorrer la distancia deseada entre cargas de la batería, es una de las principales barreras para la adopción de los VE. Y la clave para acabar con esta preocupación será prolongar la autonomía del vehículo sin incrementar los costes de manera significativa. Este artículo explica cómo el uso de transistores MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistors) de carburo de silicio (SiC) en el inversor de tracción pueden alargar la autonomía de un VE hasta un 5%. También analiza por qué algunos fabricantes de equipos se han mostrado reacios a la transición de los transistores IGBT (insulated gate bipolar transistors) de silicio a los dispositivos de SiC, así como los esfuerzos de onsemi por mitigar estas inquietudes e inspirar confianza en esta tecnología de semiconductor de banda prohibida ancha.

Tendencias en la tracción del automóvil

El inversor (principal) de tracción en un VE transforma la tensión CC de la batería en la tensión CA que necesita el motor eléctrico de tracción, que es el encargado de propulsar el vehículo. Estas son algunas tendencias recientes en el diseño de inversores de tracción:

• Incremento de la potencia: cuanto mayor es la potencia de salida del inversor, más rápida es la aceleración de un vehículo y la respuesta a las órdenes del conductor.
• Máxima eficiencia: la potencia consumida por el inversor se debe minimizar con el fin de incrementar la potencia disponible para la propulsión.
• Mayor tensión: Hasta hace poco las baterías de 400V han sido las más utilizadas, pero la industria de automoción está evolucionando hacia los 800V para reducir la corriente, el grosor del cable y el peso. El inversor de tracción en un VE debe ser capaz de asumir esta tensión más elevada y de utilizar los componentes adecuados.
• Menor peso y tamaño: el SiC tiene una densidad de potencia (kW/kg) más alta que los IGBT de silicio. La mayor densidad de potencia puede reducir el tamaño del sistema (kW/litro), lo cual ayuda a su vez a reducir el peso del inversor de tracción por la menor carga para el motor eléctrico. El menor peso del vehículo ayuda a prolongar su autonomía con la misma batería, a disminuir el tamaño del sistema de propulsión y a ampliar el espacio disponible para los ocupantes y la carga en el maletero.

Figura 1: Tendencias recientes en el diseño de inversores de tracción para VE.

Ventajas del SiC frente al silicio

El carburo de silicio ofrece varias ventajas respecto al silicio, por lo que es una mejor opción para diseños de inversores de tracción. La primera es su dureza, 9,5 Mohs comparada con los 6,5 Mohs del silicio, por lo que es mejor para sinterización a alta presión y le proporciona mayor integridad mecánica. Su conductividad térmica (4,9W/cm.K) es cuatro veces mayor que la del silicio (1,15 W/cm.K), de modo que puede funcionar de manera fiable a temperaturas más altas transfiriendo calor con más eficiencia. Finalmente, el SiC multiplica por 8 la tensión de ruptura (2500kV/cm frente a 300kV/cm) y su banda prohibida ancha le permite conmutar con más rapidez, de ahí que sea una mejor opción para las arquitecturas con una tensión cada vez mayor (800V) en los VE, mientras que su tensión de banda prohibida más ancha le permite disminuir las pérdidas de potencia respecto al silicio.

Resolviendo dudas acerca de la adopción del SiC

Pese a estas ventajas del SiC, algunos fabricantes de equipos para automoción han sido lentos a la hora de abandonar dispositivos más tradicionales de conmutación basados en silicio, como los IGBT para inversores de tracción. Estas son algunas razones aducidas para esta reticencia a adoptar el SiC:

• no es una tecnología madura
• es difícil de implementar
• su encapsulado no es apropiado para tracción
• su suministro no es tan inmediato como para los dispositivos de silicio
• es más caro que los IGBT

La siguiente sección explica por qué estas razones no tienen fundamento y por qué los fabricantes de equipos deberían confiar en el uso del SiC en el inversor de tracción para un VE.

El SiC aumenta la eficiencia del inversor de tracción

El primer paso para inspirar confianza es demostrar la clara ventaja en cuanto a rendimiento que ofrece el SiC en los diseños de inversores de tracción. Se simularon los módulos de potencia séxtuples EliteSiC Power de 900 V de onsemi, modelos NVXR17S90M2SPB (1,7mΩ de Rdson) y NVXR22S90M2SPB (2,2mΩ de Rdson), mediante software de diseño de circuitos y su rendimiento se comparó con el del IGBT VE-Trac Direct de 820 A (también de onsemi). Las simulaciones en el diseño del inversor de tracción demostraron:

• Para una tensión del bus CC de 450V y 550Arms con una frecuencia de conmutación de 10KHz, la Tvj (temperatura de unión) de los módulos de SiC (111°C) fue un 21% más baja que en el IGBT (142°C) para las mismas condiciones de refrigeración.
• Si se comparan con las del IGBT, las pérdidas medias de conmutación en el NVXR17S90M2SPB fueron un 34,5% más bajas, mientras que las pérdidas del NVXR22S90M2SPB fueron un 16,3% más bajas.
• Las pérdidas totales fueron más de un 40% más bajas para el diseño completo de un inversor de tracción basado en el NVXR17S90M2SPB, mientras que hubo una reducción de las pérdidas de potencia de hasta el 25% con el NVXR22S90M2SPB si se compara con un diseño basado en IGBT.

Si bien estas mejoras se refieren en concreto a un inversor de tracción, se traducen en un incremento de la eficiencia del 5% en el rendimiento total del VE que permite prolongar su autonomía un 5%. Por ejemplo, un VE con una batería de 100kW que ofrezca una autonomía de 500km podría recorrer hasta 525km utilizando un inversor de tracción diseñado utilizando módulos de potencia EliteSiC de onsemi. Es importante destacar que el coste del SiC en un inversor de tracción de este tipo también sería un 5% más bajo que con un IGBT de silicio.

El SiC suministra más corriente que los IGBT en una huella similar

Para los fabricantes de equipos que se planteen abandonar los IGBT, onsemi proporciona módulos de SiC con una huella mecánica similar para facilitar su integración y esto a su vez facilita la implementación sin introducir cambios en el proceso de fabricación. Además ofrecen la ventaja añadida de que suministran una mayor corriente a la misma temperatura de unión. Por ejemplo, el modelo NVXR17S90M2SPB puede suministrar 760Arms frente a solo 590Arms de un IGBT (Tvj =150ºC), es decir, un incremento del 29%. A ello se suma que onsemi sinteriza los circuitos de SiC sobre una placa de cobre con conexión directa, lo cual permite disminuir un 20% la resistencia térmica entre la unión del dispositivo y el refrigerante (R_th unión a fluido = 0,08ºC/W).

Figura 2: El encapsulado de SiC de onsemi tiene la resistencia térmica más baja del mercado.

El encapsulado moldeado por transferencia basado en una tecnología avanzada de interconexión aumenta todavía más la elevada densidad de potencia de estos módulos y ofrece una baja inductancia parásita (importante para la eficiencia de conmutación a alta velocidad), así como una mayor frecuencia de conmutación que puede reducir el tamaño y el peso de algunos componentes pasivos en el sistema. Este tipo de encapsulado, algunas de cuyas versiones pueden funcionar a una temperatura de hasta 200ºC, disminuye las necesidades de refrigeración a los fabricantes de equipos y puede permitir el uso de bombas más pequeñas para la gestión térmica.

La adopción del SiC va más allá del inversor de tracción

A medida que aumentan las tensiones en la batería del VE se han de reducir las corrientes eléctricas para obtener la misma potencia de salida. A nivel del sistema, los cables en el automóvil son más finos. La adopción del SiC será cada vez más lógica dado que los dispositivos de SiC generan menos calor que el silicio y esto permite alcanzar unos niveles de potencia aún mayores, no solo en los inversores de tracción sino en la arquitectura del VE en su conjunto.

onsemi soluciona la preocupación de los fabricantes por el suministro

onsemi ha destinado fuertes inversiones a la creación de una cadena de suministro y de un ecosistema de SiC totalmente integrados y maduros, incluido el proceso epitaxial de las obleas y la fabricación de 150mm (y la prevista de 200mm) de productos discretos, circuitos integrados, módulos y diseños de aplicación de referencia. Tras más de una década de experiencia en su producción, los conocimientos de onsemi pueden ofrecer las garantías necesarias para disipar cualquier duda que puedan albergar los fabricantes de equipos para automoción sobre la adopción del SiC.