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Aug 03, 2023

De los controladores de puerta a E

Después de un año de ventas sin precedentes en 2022, la demanda de vehículos eléctricos es

Después de un año de ventas sin precedentes en 2022, se prevé que la demanda de vehículos eléctricos aumente en el futuro. A medida que los precios de la gasolina suben a niveles astronómicos, los vehículos eléctricos ofrecen una alternativa económica y sostenible.

A medida que aumenta la demanda de estos vehículos, los diseñadores tienen la tarea de trabajar con componentes eléctricos que puedan cambiar altos voltajes de manera rápida, segura y eficiente. A continuación se muestra un resumen de algunos componentes y herramientas lanzados recientemente para ayudar a los diseñadores a cumplir con los estrictos requisitos de seguridad, eficiencia y rendimiento de los diseños de vehículos eléctricos emergentes.

Recientemente, Texas Instruments presentó el controlador de compuerta SiC UCC5880-Q1 para IGBT e inversores de tracción para vehículos eléctricos. El controlador de compuerta aísla el circuito del motor de alto voltaje conectado a la salida del inversor de tracción de los componentes eléctricos de bajo voltaje cerca de la entrada. Sin aislamiento, un pico de corriente causado por los altos voltajes utilizados en el circuito del motor podría dañar gravemente los componentes de bajo voltaje.

Una de las innovaciones clave del UCC5880 es también la interfaz de comunicación SPI bidireccional. Esto permite que el sistema varíe la fuerza de la unidad (y, en consecuencia, la velocidad de respuesta de SiC) y optimice la eficiencia general y la velocidad de conmutación mediante la gestión del exceso transitorio de la compuerta.

TI afirma que debido a que el UCC5880 permite a los diseñadores variar la potencia de la compuerta en tiempo real entre 20 A y 5 A, la eficiencia del sistema puede mejorar hasta en un 2 %. Esta eficiencia puede dar como resultado un EV que puede conducir siete millas más con una carga de batería y 1,000 millas más al año para un conductor de EV que carga su automóvil tres veces por semana.

Microchip tiene como objetivo la eficiencia del diseño de vehículos eléctricos con un enfoque diferente basado en SiC. La placa de demostración E-Fuse de la compañía utiliza las capacidades de conmutación rápida de SiC para interrumpir las corrientes de falla en microsegundos (aproximadamente 100 a 500 veces más rápido que las técnicas mecánicas) debido a su naturaleza de estado sólido de alto voltaje. Este rápido tiempo de respuesta mitiga las fallas graves al reducir las corrientes máximas de cortocircuito de decenas de kiloamperios a cientos de amperios. El demostrador viene en seis variaciones para sistemas de batería de 400 V a 800 V con una clasificación de corriente de 30 A.

Según Microchip, los diseñadores pueden eludir las limitaciones del diseño para la capacidad de servicio con las funciones de reinicio del E-Fuse Demonstrator. Estas características simplifican el embalaje del vehículo para mejorar la distribución del sistema de energía BEV/HEV. El demostrador también incluye una interfaz de comunicación de red de interconexión local (LIN) integrada para acelerar el tiempo de desarrollo para usos auxiliares basados ​​en SiC. Con esta interfaz en su lugar, los diseñadores pueden acceder al estado de diagnóstico y configurar las características de disparo por sobrecorriente sin cambiar ningún componente de hardware.

Onsemi también se centra en la eficiencia de los vehículos eléctricos, con una nueva cartera de productos de SiC que tiene como objetivo manejar hasta 1200 V, un aumento significativo con respecto a las familias de productos anteriores. En esta nueva cartera se incluyen MOSFET EliteSiC y módulos para velocidades de conmutación más altas comunes en cargadores a bordo de 800 V EV y casos de uso de infraestructura energética. Estos incluyen sistemas de almacenamiento de energía solar y carga de vehículos eléctricos.

Onsemi también está considerando aplicaciones industriales con su nuevo portafolio, a saber, con los nuevos dispositivos EliteSiC M3S en módulos integrados de potencia de medio puente con un "RDS (encendido) más bajo líder en la industria". Los dispositivos se describen como "altamente integrados" e incluyen diseños de cobre unidos directamente para equilibrar el intercambio de corriente y la distribución térmica entre interruptores paralelos, una característica deseable en las etapas de conversión de alta potencia CC-CA, CA-CC y CC-CC.

Los MOSFET EliteSiC de 1200 V están calificados para automóviles y están construidos para convertidores CC-CC de alto a bajo voltaje y cargadores integrados de alta potencia de hasta 22 kW.

Varias propiedades del SiC (carburo de silicio) lo hacen adecuado para aplicaciones de vehículos eléctricos frente a otros compuestos semiconductores. Estos incluyen su alta conductividad térmica, voltaje de ruptura, energía de banda prohibida y movilidad de electrones. El alto voltaje de ruptura y la energía de banda prohibida de SiC lo hacen ideal para diseños de alto voltaje, mientras que una mejor movilidad de electrones y conductividad térmica permiten velocidades de conmutación y transferencia de calor más rápidas.

Estos beneficios de rendimiento son significativos teniendo en cuenta la cantidad de sistemas de alto voltaje en un EV: considere la batería de CC de alto voltaje, un motor de CA para impulsar las ruedas, componentes eléctricos de CC para las características interiores y exteriores (como el sistema de infoentretenimiento y los faros) y un sistema de refrigeración térmica. En tales sistemas, un convertidor reductor de CC-CC reduce el alto voltaje de la batería principal para otros componentes de CC de menor voltaje. Un inversor de tracción convierte el voltaje de la batería de CC en un voltaje de CA para el motor. Y un inversor de tracción con transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) puede cambiar rápidamente y convertir CC en CA.

Finalmente, todos los circuitos de alto voltaje en el sistema requieren protección ya que el voltaje de la batería de CC es generalmente muy alto (>400 V). Una condición de cortocircuito podría causar daños graves a este sistema sin dicha protección.

Con estas restricciones estrictas en mente, no es de extrañar por qué los fabricantes de semiconductores como TI, Microchip y Onsemi apuntan a SiC, ya sea que estén desarrollando MOSFET de alto voltaje o herramientas de demostración para pruebas.