Sravan Vanaparthy: Senior Director, Industrial Solutions Business Unit,
Power Solutions Group, onsemi
El mayor rendimiento que proporcionan los dispositivos de carburo de silicio (SiC) a las aplicaciones en los vehículos eléctricos y la energía solar fotovoltaica ya es muy conocido. No obstante, las ventajas de un material como el SiC se pueden aprovechar potencialmente en otras aplicaciones, por ejemplo para la protección de circuitos. Este artículo repasa los desarrollos en este campo, como las ventajas de la protección mecánica frente a los disyuntores de estado sólido (solid-state circuit breakers, SSCB) implementados con diferentes dispositivos semiconductores. Finalmente, explica por qué el SiC se convertirá en una opción cada vez más atractiva para los SSCB.
Protección de la infraestructura y los equipos eléctricos
Los sistemas de transmisión y distribución eléctrica, así como los equipos sensibles, requieren protección frente a sobrecargas y cortocircuitos transitorios. Los sistemas eléctricos y los vehículos eléctricos utilizan unas tensiones cada vez más altas, por lo que las corrientes máximas de fallo potencial son también más altas que nunca. La protección frente a estas elevadas corrientes de fallo exige unas interrupciones ultrarrápidas de CA y CC. Si bien los disyuntores mecánicos han sido generalmente la elección más común para esta aplicación, los requisitos operativos cada vez más exigentes han hecho que los disyuntores basados en el estado sólido sean más populares. Se les suele denominar disyuntores de estado sólido y presentan varias ventajas respecto a los mecánicos:
Robustez y fiabilidad: Los disyuntores mecánicos contienen piezas móviles, por lo que son frágiles. Esto significa que se pueden romper con facilidad o se pueden activar accidentalmente debido al movimiento y se deterioran cada vez que se reinician a lo largo de su vida útil. En cambio, como los SSCB no contienen piezas móviles, son más robustos y es menos probable que sufran daños de forma accidental, por lo que se pueden utilizar repetidamente durante miles de ciclos.
Flexibilidad frente a la temperatura: La temperatura de funcionamiento de los disyuntores mecánicos depende del material utilizado en su construcción y limita la temperatura de trabajo; en el caso de los SSCB, la temperatura de trabajo es más elevada que en los disyuntores mecánicos y se puede configurar.
Configuración remota: Tras activarse un disyuntor mecánico, una persona debe reiniciarlo manualmente con el tiempo y el coste que acarrea, en especial cuando se trata de varias instalaciones. Esto también puede tener implicaciones desde el punto de vista de la seguridad. Los SSCB, por su parte, se pueden reiniciar de manera remota utilizando una conexión con o sin cable.
Conmutación más rápida y sin arcos eléctricos: Cuando un disyuntor mecánico conmuta, se pueden generar unos arcos electrónicos y unas fluctuaciones de tensión lo bastante grandes como para dañar el equipo de la carga. Los efectos de estos picos de tensión de tipo inductivo y de las corrientes transitorias de tipo capacitivo se pueden proteger mediante métodos de arranque suave en los SSCB con una conmutación mucho más rápida, del orden de unos microsegundos, si se produce un fallo.
Rango de corriente flexible: La corriente nominal de los disyuntores mecánicos es fija, mientras que el rango de corriente es programable en los SSCB.
Tamaño y coste reducido: Si se comparan con los disyuntores mecánicos, los SSCB pesan menos, son bastante más ligeros y ocupan menos espacio.
Limitaciones de los SSCB existentes
Si bien los SSCB presentan ventajas respecto a los disyuntores mecánicos, también tienen algunos inconvenientes como sus limitados rangos de tensión/corriente, mayores pérdidas en conducción y precio más elevado. Los SSCB se suelen basar en TRIAC (silicon-controlled rectifiers) para aplicaciones de CA o en MOSFET planos estándar para sistemas de CC. Los TRIAC o los MOSFET incorporan la función de conmutación, mientras que los drivers con aislamiento óptico funcionan como elemento de control. No obstante, los SSCB basados en MOSFET de alta corriente necesitan disipadores de calor para corrientes de salida elevadas, por lo que no pueden alcanzar los mismos niveles de densidad de potencia que los disyuntores mecánicos.
De forma parecida, se precisan disipadores de calor en los SSCB que utilizan IGBT (insulated gate bipolar transistors) cuya tensión de saturación provoca una pérdida excesiva de potencia cuando la corriente supera unas pocas decenas de amperios. Por ejemplo, para 500A, una caída de tensión de 2V en un IGBT disiparía 1000W. Para esta cantidad de potencia, un MOSFET necesitaría una resistencia en conducción de unos 4 mΩ. Este nivel de resistencia no es factible en la actualidad con dispositivos individuales cuyas tensiones nominales llegan hasta 800V (y más) en los vehículos eléctricos. Si bien esta cifra se podría alcanzar teóricamente mediante dispositivos conectados en paralelo, un planteamiento como este incrementaría de modo sustancial el tamaño y el coste de la solución, aún más cuando se precise un flujo de corriente bidireccional.
Uso de módulos de potencia de SiC para SSCB de próxima generación
Un chip de SiC puede ser hasta diez veces más pequeño que su equivalente de silicio para los mismos valores de la tensión nominal y de la resistencia en conducción. Además, los dispositivos de SiC pueden conmutar a una velocidad cien veces mayor y funcionar a temperaturas máximas que duplican con creces a la del silicio. Al mismo tiempo, su mayor conductividad media le proporciona más robustez a potencias elevadas. onsemi ha aprovechado estas propiedades en su gama de módulos de potencia EliteSiC con unos valores de la resistencia en conducción a partir de solo 1,7mΩ para dispositivos de 1200V. Estos módulos integran entre dos y seis MOSFET de SiC en un solo encapsulado.
La tecnología de sinterización (que une dos chips dentro de un mismo encapsulado) ofrece un rendimiento fiable del producto incluso con altos niveles de potencia. Esta conmutación rápida del dispositivo, junto con su elevada conductividad térmica, le permiten activar (circuito abierto) de forma rápida y segura una aplicación final si se produce un fallo, deteniendo así el flujo de corriente hasta que se recuperan las condiciones normales de funcionamiento. Módulos como este muestran cómo es cada vez más posible integrar varios dispositivos MOSFET de SiC en un solo encapsulado para proporcionar valores reducidos de la resistencia en conducción y los pequeños formatos requeridos en las aplicaciones de los disyuntores. onsemi también ofrece los MOSFET EliteSiC y módulos de potencia que resisten tensiones de 650V a 1700V, lo cual significa que también se pueden adaptar a los SSCB en aplicaciones monofásicas y trifásicas de tipo doméstico, comercial e industrial. La cadena de suministro de SiC integrada verticalmente de onsemi ofrece productos sin apenas defectos que se han sometido a ensayos exhaustivos de fiabilidad para los fabricantes de SSCB.
Figura 1: Cadena completa de suministro de carburo de silicio (SiC) de onsemi.
La figura inferior ilustra la implementación del SSCB en un módulo con varios chips de SiC con varios interruptores en paralelo en una configuración en oposición para lograr la rdson más baja y optimizar la disipación térmica. Los módulos totalmente integrados como el mostrado abajo, que han optimizado la posición de las patillas y el trazado, ayudarán a reducir los efectos parásitos y a mejorar las prestaciones de conmutación y los tiempos de respuesta a fallos. onsemi ofrece un amplio catálogo de módulos de SIC con tensiones nominales de 650V, 1200V y 1700V por módulos con y sin placa base en función de los requisitos de la aplicación final y de la eficiencia necesaria.
Figura 2: Módulo B2B de SiC para un disyuntor de estado sólido de 480VCA y 200A.
Figura 3: Módulos de onsemi para aplicaciones de SSCB.
El SiC y los SSCB evolucionarán en paralelo
Los disyuntores mecánicos tienen unas bajas pérdidas de potencia, una densidad de potencia más alta y en la actualidad son más económicos que los SSCB. Sin embargo se deterioran debido a su uso repetido y a que exigen un costoso mantenimiento manual provocado por el reinicio o la sustitución. La demanda de disyuntores y dispositivos de SiC seguirá creciendo en línea con la creciente adopción de los vehículos eléctricos, logrando así que esta tecnología de banda prohibida ancha tenga un coste cada vez más competitivo y aumente el interés por su uso en soluciones formadas por SSCB. A medida que avance la tecnología de proceso de SiC y siga cayendo la resistencia de los MOSFET de SiC, hasta alcanzar unos niveles comparables a los disyuntores mecánicos, las pérdidas de potencia irán a la baja. El uso de SSCB construidos a partir de dispositivos de SiC que ofrecen ventajas como conmutación rápida, ausencia de arcos eléctricos y un significativo ahorro de costes gracias a su mantenimiento nulo, se irá convirtiendo en algo habitual.
