Cómo diseñar en MOSFET de SiC para mejorar la eficiencia del inversor de tracción del vehículo eléctrico

Por Steven Keeping

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los ingenieros se enfrentan a una disyuntiva entre las prestaciones y la autonomía de los vehículos eléctricos modernos. Las aceleraciones más rápidas y las velocidades de crucero más elevadas requieren paradas de recarga más frecuentes y largas. Por otra parte, la mayor autonomía se produce a costa de un progreso más sedentario. Para aumentar la autonomía y, al mismo tiempo, ofrecer a los conductores un mayor rendimiento, los ingenieros tienen que diseñar trenes de transmisión que garanticen que la mayor cantidad posible de energía de la batería se transfiera a las ruedas motrices. Igual de importante es la necesidad de que los trenes motrices sean lo suficientemente pequeños como para encajar en las limitaciones del vehículo. Esta doble exigencia requiere tanto componentes de alta eficiencia como de alta densidad energética.

El componente clave del tren motriz de un vehículo eléctrico es el inversor de fuente de tensión trifásica (o "inversor de tracción") que convierte la tensión de CC de las baterías en la CA necesaria para el motor o motores eléctricos del vehículo. Construir un inversor de tracción eficiente es fundamental para reducir la relación entre rendimiento y autonomía, y una de las vías clave para mejorar la eficiencia es el uso adecuado de dispositivos semiconductores de carburo de silicio (SiC) de banda ancha (WBG).

Este artículo describe el papel del inversor de tracción de los vehículos eléctricos. A continuación, se explica cómo el diseño de la unidad con transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) de potencia de SiC puede dar lugar a un tren de propulsión de vehículos eléctricos más eficiente que uno que utilice transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). El artículo concluye con un ejemplo de un inversor de tracción basado en MOSFET de SiC, y consejos de diseño sobre cómo maximizar la eficiencia de la unidad.

¿Qué es un inversor de tracción?

El inversor de tracción de un vehículo eléctrico convierte la corriente continua proporcionada por las baterías de alto voltaje del vehículo en la corriente alterna que necesita el motor eléctrico para producir el par necesario para mover el vehículo. El rendimiento eléctrico del inversor de tracción tiene un impacto significativo en la aceleración del vehículo y en su autonomía.

Los inversores de tracción contemporáneos son accionados por sistemas de baterías de alta tensión de 400 voltios o, más recientemente, por diseños de 800 voltios. Con corrientes de inversores de tracción de 300 amperios (A) o más, un dispositivo alimentado por un sistema de baterías de 800 voltios es capaz de suministrar más de 200 kilovatios (kW) de potencia. A medida que la potencia ha ido aumentando, el tamaño de los inversores se ha reducido, aumentando considerablemente la densidad de potencia.

Los vehículos eléctricos con sistemas de baterías de 400 voltios requieren inversores de tracción con dispositivos semiconductores de potencia en el rango de 600 a 750 voltios, mientras que los vehículos de 800 voltios requieren dispositivos semiconductores en el rango de 900 a 1200 voltios. Los componentes de potencia utilizados en los inversores de tracción también deben ser capaces de soportar picos de corriente alterna de más de 500 A durante 30 segundos (s) y una corriente alterna máxima de 1600 A durante 1 milisegundo (ms). Además, los transistores de conmutación y los controladores de puerta utilizados para el dispositivo deben ser capaces de manejar estas grandes cargas manteniendo una alta eficiencia del inversor de tracción (Tabla 1).

Tabla de requisitos típicos del inversor de tracción 2021Tabla 1: Requisitos típicos de los inversores de tracción de 2021; la densidad energética muestra un aumento del 250%, en comparación con 2009. (Fuente de la imagen: Steven Keeping)

Un inversor de tracción se compone normalmente de tres elementos de medio puente (interruptores de lado alto más lado bajo), uno para cada fase del motor, con controladores de puerta que controlan la conmutación del lado bajo de cada transistor. Todo el conjunto debe estar aislado galvánicamente de los circuitos de baja tensión (BT) que alimentan el resto de los sistemas del vehículo (Figura 1).

El diagrama de un VE requiere un inversor de fuente de tensión trifásico (haga clic para ampliar)Figura 1: Un vehículo eléctrico necesita un inversor de fuente de tensión trifásica (inversor de tracción) para convertir la energía de la batería de alto voltaje (HV) en la energía de CA que necesitan los motores eléctricos del vehículo. El sistema de alta tensión, incluido el inversor de tracción, está aislado del sistema convencional de 12 voltios del vehículo. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Los interruptores del ejemplo de la figura 1 son IGBT. Han sido una elección popular para un inversor de tracción porque son capaces de manejar altos voltajes, conmutan rápidamente, ofrecen una buena eficiencia y son relativamente baratos. Sin embargo, a medida que el costo de los MOSFET de potencia de SiC ha disminuido y se han hecho más accesibles comercialmente, los ingenieros están recurriendo a estos componentes por sus notables ventajas sobre los IGBT.

Ventajas de los MOSFET de SiC para los controladores de puerta de alta eficiencia

Las principales ventajas de rendimiento de los MOSFET de potencia de SiC con respecto a los MOSFET e IGBT de silicio convencionales se derivan del sustrato semiconductor WBG de los dispositivos. Los MOSFET de Si tienen una energía de banda de 1.12 electronvoltios (eV), frente a los 3.26 eV de los MOSFET de SiC. Esto significa que el transistor WBG puede soportar tensiones de ruptura mucho más altas que los dispositivos de Si, así como una tensión de campo de ruptura resultante unas diez veces mayor que la de Si. La alta tensión de campo de ruptura permite reducir el grosor del dispositivo para una tensión determinada, disminuyendo la resistencia de "encendido" (RDS(ON)) y reduciendo así las pérdidas de conmutación y mejorando la capacidad de transporte de corriente.

Otra ventaja clave del SiC es su conductividad térmica, que es aproximadamente tres veces mayor que la del Si. Una mayor conductividad térmica se traduce en un menor aumento de la temperatura de unión (Tj) para una determinada disipación de potencia. Los MOSFET de SiC también pueden tolerar una temperatura de unión máxima (Tj(max)) más alta que el Si. Un valor típico de Tj(max) para un MOSFET de Si es de 150 ˚C; los dispositivos de SiC pueden soportar una Tj(max) de hasta 600 ˚C, aunque los dispositivos comerciales suelen estar clasificados entre 175 y 200 ˚C. La tabla 2 ofrece una comparación de las propiedades entre el Si y el 4H-SiC (la forma cristalina del SiC que se utiliza habitualmente para fabricar MOSFET).

Tabla del campo de ruptura, la conductividad térmica y la temperatura máxima de unión del MOSFET de SiCTabla 2: El campo de ruptura, la conductividad térmica y la temperatura máxima de unión de un MOSFET de SiC lo convierten en una mejor opción que el Si para aplicaciones de conmutación de alta corriente y alto voltaje. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

La alta tensión de ruptura, la baja RDS(ON), la alta conductividad térmica y la alta Tj(max) permiten a un MOSFET de SiC manejar una corriente y una tensión mucho más altas que un MOSFET de Si de tamaño similar.

Los IGBT también son capaces de manejar tensiones y corrientes elevadas y suelen ser más baratos que los MOSFET de SiC, una razón clave para que sean favorecidos en los diseños de inversores de tracción. La desventaja de los IGBT, sobre todo cuando el desarrollador busca maximizar la densidad de energía, es la restricción de la frecuencia máxima de funcionamiento debido a su "corriente de cola" y a su apagado relativamente lento. En cambio, un MOSFET de SiC es capaz de manejar la conmutación de alta frecuencia a la par que un MOSFET de Si, pero con la capacidad de manejo de tensión y corriente de un IGBT.

Mayor disponibilidad de los MOSFET de SiC

Hasta hace poco, el precio relativamente alto de los MOSFET de SiC limitaba su uso a los inversores de tracción de los vehículos eléctricos de lujo, pero la caída de los precios ha hecho que los MOSFET de SiC se conviertan en una opción para una mayor variedad.

ON Semiconductor ofrece dos ejemplos de esta nueva generación de MOSFETS de potencia de SiC: el NTBG020N090SC1 y el NTBG020N120SC1. La principal diferencia entre los dispositivos es que el primero tiene una tensión máxima de ruptura drenaje-fuente (V(BR)DSS) de 900 voltios, con una tensión puerta-fuente (VGS) de 0 voltios y una corriente de drenaje continua (ID) de 1 miliamperio (mA), mientras que el segundo tiene una V(BR)DSS máxima de 1200 voltios (en las mismas condiciones). La Tj máxima de ambos dispositivos es de 175 ˚C. Ambos dispositivos son MOSFET de un solo canal N en un encapsulado D2PAK-7L (Figura 2).

Diagrama de los MOSFET de potencia de SiC de canal N NTBG020N090SC1 y NTBG020N120SC1 de ON SemiconductorFigura 2: Los MOSFET de potencia de SiC de canal N NTBG020N090SC1 y NTBG020N120SC1 se presentan en un encapsulado D2PAK-7L y difieren principalmente en sus valores V(BR)DSS de 900 y 1200 voltios, respectivamente. (Fuente de la imagen: Steven Keeping, con material de ON Semiconductor)

El NTBG020N090SC1 tiene un RDS(ON) de 20 miliohmios (mΩ) con un VGS de 15 voltios (ID = 60 A, Tj = 25 ˚C), y un RDS(ON) de 16 mΩ con un VGS de 18 voltios (ID = 60 A, Tj = 25 ˚C) La máxima corriente continua de avance del diodo de la fuente de drenaje (ISD) es de 148 A (VGS = -5 voltios, Tj = 25 ˚C), y la máxima corriente de avance del diodo de la fuente de drenaje pulsado (ISDM) es de 448 A (VGS = -5 voltios, Tj = 25 ˚C). El NTBG020N120SC1 tiene un RDS(ON) de 28 mΩ a un VGS de 20 voltios (ID = 60 A, Tj = 25 ˚C). El ISD máximo es de 46 A (VGS = -5 voltios, Tj = 25 ˚C), y el ISDM máximo es de 392 A (VGS = -5 voltios, Tj = 25 ˚C).

Diseño con MOSFET de SiC

A pesar de sus ventajas, los diseñadores que deseen incorporar los MOSFET de SiC a sus diseños de inversores de tracción deben ser conscientes de una complicación importante: los transistores tienen requisitos de accionamiento de puerta complicados. Algunos de estos retos surgen del hecho de que, en comparación con los MOSFET de Si, los MOSFET de SiC presentan una menor transconductancia, una mayor resistencia interna de puerta y el umbral de encendido de la puerta puede ser inferior a 2 voltios. Como resultado, la puerta debe estar por debajo de tierra (normalmente a -5 voltios) durante el estado de apagado para asegurar una conmutación adecuada.

Sin embargo, el principal reto del accionamiento de la puerta surge del hecho de que hay que aplicar una gran VGS (hasta 20 voltios) para garantizar una baja RDS(ON). El funcionamiento de un MOSFET de SiC a una VGS demasiado baja puede provocar tensiones térmicas o incluso fallos debido a la disipación de energía (Figura 3).

Gráfico del MOSFET de SiC NTBG020N090SC1 de ON SemiconductorFigura 3: Para el MOSFET de SiC NTBG020N090SC1, se requiere un VGS alto para evitar el estrés térmico de un RDS(ON) alto. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Además, dado que un MOSFET de SiC es un dispositivo de baja ganancia, el diseñador debe tener en cuenta el impacto que esto tiene en varias otras características dinámicas importantes a la hora de diseñar un circuito de accionamiento de puerta. Estas características incluyen la meseta de carga de la puerta de Miller y el requisito de protección contra la sobrecorriente.

Estas complicaciones de diseño exigen un controlador de puerta especializado con los siguientes atributos:

  • La capacidad de proporcionar un accionamiento VGS de -5 a 20 voltios para aprovechar al máximo las ventajas de rendimiento del MOSFET de SiC. Para proporcionar una sobrecarga adecuada para cumplir este requisito, el circuito de accionamiento de la puerta debe ser capaz de soportar VDD = 25 voltios y VEE = -10 voltios.
  • El VGS debe tener bordes de subida y bajada rápidos, del orden de unos pocos nanosegundos (ns).
  • El accionamiento de la puerta debe ser capaz de generar una alta corriente de pico en la puerta, del orden de varios amperios, en toda la región de meseta de Miller del MOSFET.
  • La corriente de disipación debe ser superior a la necesaria para descargar la capacidad de entrada del MOSFET de SiC. Para las topologías de potencia de medio puente de alto rendimiento debe considerarse una corriente de pico mínima del orden de 10 A.
  • Baja inductancia parásita para la conmutación de alta velocidad.
  • Pequeño paquete de controladores capaz de situarse lo más cerca posible del MOSFET de SiC y de aumentar la densidad de energía.
  • Una función de desaturación (DESAT) capaz de detectar, informar de fallos y proteger para un funcionamiento fiable a largo plazo.
  • Un nivel de bloqueo de subtensión VDD (UVLO) que se ajusta al requisito de que VGS > 16 voltios antes de que comience la conmutación.
  • Capacidad de monitorización de VEE UVLO para asegurar que el riel de tensión negativa está dentro de un rango aceptable.

ON Semiconductor ha presentado un controlador de puerta diseñado para cumplir estos requisitos en los diseños de inversores de tracción. El controlador de puerta del MOSFET de SiC NCP51705MNTXG presenta un alto nivel de integración que lo hace compatible no solo con sus MOSFET de SiC, sino también con los de una amplia gama de fabricantes. El dispositivo incluye muchas funciones básicas comunes a los controladores de compuerta de uso general, pero también presenta los requisitos especializados necesarios para diseñar un circuito de accionamiento de compuerta MOSFET de SiC fiable utilizando un mínimo de componentes externos.

Por ejemplo, el NCP51705MNTXG incorpora una función DESAT que puede implementarse utilizando solo dos componentes externos. DESAT es una forma de protección de sobrecorriente para IGBT y MOSFET para monitorear una falla por la cual VDS puede subir al máximo de ID. Esto puede afectar a la eficiencia y, en el peor de los casos, posiblemente dañar el MOSFET. La Figura 4 muestra cómo el NCP51750MNTXG monitoriza el VDS del MOSFET (Q1) a través del pin DESAT mediante R1 y D1.

Diagrama de la función DESAT NCP51705MNTXG de ON SemiconductorFigura 4: La función DESAT del NCP51705MNTXG mide el VDS en busca de comportamientos anómalos durante los periodos de máxima ID e implementa la protección contra sobrecorriente. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El controlador de puerta NCP51705MNTXG también cuenta con UVLO programable. Esta es una característica importante cuando se accionan MOSFET de SiC, ya que la salida del componente de conmutación debe estar desactivada hasta que VDD esté por encima de un umbral conocido. Permitir que el controlador conmute el MOSFET a una VDD baja puede dañar el dispositivo. El UVLO programable del NCP51705MNTXG no solo protege la carga sino que verifica al controlador que la VDD aplicada está por encima del umbral de encendido. El umbral de activación de UVLO se ajusta con una sola resistencia entre UVSET y SGND (Figura 5).

Diagrama del umbral de encendido UVLO del MOSFET de SiC NCP51705MNTXG de ON SemiconductorFigura 5: El umbral de encendido UVLO del MOSFET de SiC NCP51705MNTXG se establece mediante la resistencia UVSET, RUVSET, que se elige en función de la tensión de encendido UVLO deseada, VON. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Aislamiento digital para inversores de tracción

Para completar el diseño de un inversor de tracción, el ingeniero debe asegurarse de que el lado de BT de la electrónica del vehículo está aislado de las altas tensiones y corrientes que pasan por el inversor (Figura 2). Sin embargo, como el microprocesador que controla los controladores de puerta de alta tensión está en el lado de baja tensión, cualquier aislamiento debe permitir el paso de señales digitales desde el microprocesador a los controladores de puerta. ON Semiconductor también ofrece un componente para esta función, el NCID9211R2, un aislador digital cerámico bidireccional de alta velocidad y doble canal.

El NCID9211R2 es un aislador digital dúplex aislado galvánicamente que permite que las señales digitales pasen entre sistemas sin conducir bucles de tierra o tensiones peligrosas. El dispositivo presenta un aislamiento máximo de trabajo de 2000 voltios pico, 100 kilovoltios/milisegundo (kV/ms) de rechazo en modo común y un caudal de datos de 50 megabits por segundo (Mbit/s).

Los condensadores cerámicos fuera del chip forman la barrera de aislamiento, como se muestra en la figura 6.

Diagrama de bloques que ilustra un solo canal del aislador digital NCID9211R2 de ON SemiconductorFigura 6: Diagrama de bloques que ilustra un solo canal del aislador digital NCID9211R2. Los condensadores fuera del chip forman la barrera de aislamiento. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Las señales digitales se transmiten a través de la barrera de aislamiento utilizando una modulación ON-OFF (OOK). En el lado del transmisor, el estado lógico de la entrada VIN se modula con una señal portadora de alta frecuencia. La señal resultante se amplifica y se transmite a la barrera de aislamiento. El lado del receptor detecta la señal de barrera y la demodula utilizando una técnica de detección de envolvente (Figura 7). La señal de salida determina el estado lógico de la salida VO cuando el control de habilitación de la salida EN es alto. VO pasa por defecto a un estado de alta impedancia baja cuando la fuente de alimentación del transmisor está apagada, o la entrada VIN está desconectada.

El diagrama del aislador digital NCID9211 de ON Semiconductor utiliza la modulación OOKFigura 7: El aislador digital NCID9211 utiliza la modulación OOK para transmitir la información digital a través de la barrera de aislamiento. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Conclusión:

Los MOSFET de potencia de SiC son una buena opción para los inversores de tracción de alta eficiencia y densidad de potencia para los vehículos eléctricos, pero sus características eléctricas plantean retos de diseño únicos con respecto a los controladores de puerta y la protección del dispositivo. Además de los retos de diseño, los ingenieros deben asegurarse de que el diseño del inversor de tracción ofrezca un alto nivel de aislamiento de la sensible electrónica de BT del vehículo.

Como se ha mostrado, para facilitar el desarrollo de la ingeniería, ON Semiconductor ofrece una gama de MOSFET de SiC, controladores de puerta especializados y aisladores digitales para satisfacer las demandas de los inversores de tracción, y lograr un mejor equilibrio entre el largo alcance y el alto rendimiento para los vehículos eléctricos modernos.

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Acerca de este autor

Steven Keeping

Steven Keeping is a contributing author at Digi-Key Electronics. He obtained an HNC in Applied Physics from Bournemouth University, U.K., and a BEng (Hons.) from Brighton University, U.K., before embarking on a seven-year career as an electronics manufacturing engineer with Eurotherm and BOC. For the last two decades, Steven has worked as a technology journalist, editor and publisher. He moved to Sydney in 2001 so he could road- and mountain-bike all year round, and work as editor of Australian Electronics Engineering. Steven became a freelance journalist in 2006 and his specialities include RF, LEDs and power management.

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