Implementación efectiva de dispositivos de potencia de SiC en vehículos eléctricos de mayor alcance

Si bien se pone mucha atención en las baterías de los vehículos eléctricos y los eléctricos híbridos (VE/VEH), la realidad de la ingeniería es que el subsistema que administra la potencia general, que incluye funciones como el impulsor de motor básico, los cargadores internos y externos, el uso de energía y el frenado regenerativo, es igualmente importante para mejorar el rendimiento del VE. En consecuencia, a medida que sigue aumentando la demanda de vehículos eléctricos, se ha puesto un énfasis significativo en desarrollar y adoptar componentes mejorados que puedan optimizar el uso de la batería de los VE y extender el rango de conducción del vehículo.

La transición de los transistores de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico estándar (MOSFET) como dispositivos de control de la potencia a los transistores de efecto de campo (FET) basados en tecnología de proceso y sustrato de carburo de silicio (SiC) representa un paso importante hacia la mejora de la eficiencia y las características generales de los VE a nivel de sistema. Sin embargo, los dispositivos de SiC requieren una nueva comprensión de sus especificaciones críticas y los requisitos de accionamiento para obtener plenamente sus beneficios.

Este artículo describe los requisitos de potencia de los VE y los VEH, explica por qué los dispositivos de potencia basados en SiC se adaptan bien a esta función y aclara las funciones de sus controladores de dispositivo complementarios. Después de explicar brevemente las implicaciones de los estándares AEC-Q101 para los dispositivos discretos que califican para automóviles, se presentan dos dispositivos de potencia de SiC que califican para AEC de ROHM Semiconductor y se destacan las características claves que deben considerarse para lograr diseños exitosos.

Alimentar los VE y VEH

Las demandas en los subsistemas de potencia de todos los vehículos, de combustión interna (CI), VE y VEH, han crecido a un ritmo exponencial para soportar funciones como los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), ventanas, puertas y espejos eléctricos, redes internas y conectividad, radar, sistemas de entretenimiento y GPS, entre otros.

La fuente de alimentación primaria para los vehículos de CI suele ser una batería de plomo ácido estándar de 12 V, de 100 a 200 amperios-hora (Ah). Sin embargo, esa cantidad de energía es modesta en comparación con los requisitos de las baterías de los VE, que además necesitan proporcionar potencia de "motor primario" (Figura 1). En consecuencia, la capacidad de la batería en un VE oscila entre 50 y 150 kilovatios-hora (kWh), dependiendo de la función, del tamaño y el proveedor del vehículo, y tienen un voltaje típico de 200 a 300 voltios. Para hacer una comparación equitativa, convierta esto a Ah aplicando la fórmula: Ah = (kWh × 1,000)/voltios.

Figura 1: Los subsistemas de potencia basados en baterías en un VE proporcionan alimentación para los motores de tracción y funciones relacionadas, así como una variedad de características y funciones que hoy son estándar y los conductores esperan. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Además de la cantidad de convertidores de CC/CC más pequeños destinados a funciones internas y carga, muchos VE, aunque no todos, usan corriente alterna (CA) de frecuencia variable a través de convertidores de corriente continua (CC)/CA para alimentar sus motores de tracción. Las potencias de salida del motor de tracción varían desde unos 150 caballos de fuerza (hp) para vehículos de baja gama hasta más de 500 hp para un Tesla de alta gama. Dado que un caballo de fuerza equivale a aproximadamente 750 vatios (W), la cantidad de corriente necesaria para los motores es importante.

Si bien hay muchos factores que determinan la eficacia general de los subsistemas de potencia, uno de los más importantes es el rendimiento de los reguladores de conmutación. Estos reguladores toman la energía de la batería sin procesar y la transforman en los voltajes/corrientes necesarios para el tren de transmisión, así como para la carga de la batería.

La razón es simple: a un nivel de corriente de cientos de amperios, la caída de la resistencia de corriente básica (IR) se convierte en un parámetro crítico. Por ejemplo, a 100 A, incluso 100 miliohmios (mΩ) de resistencia de encendido [R_{DS (ON)}] es perjudicial de dos maneras: primero, como 10 voltios de pérdida de potencial de entrega y segundo, como 100 W de disipación (I²R) de potencia que debe gestionarse. Además, junto con estas pérdidas R_{DS (ON)} también hay pérdidas de conmutación en los convertidores CC/CA y CC/CC que degradan la eficiencia y la vida útil de la batería, además de aumentar la carga térmica que debe disiparse.

¿Por qué considerar el SiC?

Estas pérdidas estáticas apuntan a dos tácticas bien conocidas para reducir la caída de IR y las pérdidas I²R: 1) reducir la resistencia de encendido y 2) aumentar el voltaje de funcionamiento del sistema, lo que a su vez disminuye la corriente necesaria para entregar una cantidad dada de energía a una carga. Para las pérdidas de conmutación dinámicas, cualquier mejora del dispositivo que pueda reducirlas (que están relacionadas con la física del dispositivo, la frecuencia de conmutación y otros factores) tendrá un gran impacto.

En las últimas décadas, los dispositivos de conmutación de potencia dominantes han sido los MOSFET basados en silicio (Si) y los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Si bien los avances tecnológicos han aumentado considerablemente su rendimiento, las mejoras se han estancado en gran medida. Al mismo tiempo, los VE requieren dispositivos de conmutación con especificaciones cada vez mejores para ser viables y atractivos.

Afortunadamente, en las últimas décadas ha madurado otra tecnología de proceso MOSFET de estado sólido, basada en el material de carburo de silicio (SiC) en lugar del silicio básico solo, compuesto de partes iguales de silicio y carbono unidas mediante un enlace covalente. Aunque hay más de 100 politipos distintos (estructuras únicas) de SiC; los tipos 4H y 6H son de gran interés por cuestiones de producción y procesamiento.

Los MOSFET de SiC ofrecen una serie de atributos dominantes claves en comparación con los MOSFET de Si solo:

• El SiC proporciona un campo eléctrico crítico que es casi ocho veces más alto que el del Si, lo que lo hace muy adecuado para los dispositivos semiconductores de potencia. La alta resistencia dieléctrica permite un molde mucho más delgado que se puede dosificar a un nivel mucho más alto, lo que lleva a pérdidas menores.
• El SiC tiene una conductividad térmica aproximadamente tres veces mayor que la del Si, por lo que cualquier calor que se genere puede transferirse por conducción con una caída de temperatura mucho más baja a través del propio material.
• El SiC exhibe una temperatura de fusión muy alta que permite operar a más de 400 °C (el Si estándar está limitado a 150 °C). Esta temperatura de funcionamiento más alta simplifica enormemente los requisitos de enfriamiento, lo que permite que los dispositivos de SiC operen en entornos con temperatura ambiente más alta, ya que queda un diferencial de temperatura suficiente para soportar la conducción y el flujo térmico de convección.
• El SiC admite una densidad de corriente máxima dos o tres veces mayor que la de los dispositivos de silicio, lo que permite reducir los costos de los componentes y sistemas para un nivel de potencia dado.

Como se muestra en la Tabla 1, las especificaciones de las propiedades eléctricas de nivel físico crítico del silicio estándar, 4H SiC y 6H del SiC, difieren significativamente. La energía del salto energético más alta y los valores críticos de campo eléctrico del SiC admiten un funcionamiento a mayor voltaje, mientras que los factores de movilidad de electrones y agujeros más pequeños generan pérdidas de conmutación más bajas que permiten operar a frecuencias más altas (lo que también conduce a filtros y componentes pasivos más pequeños). Al mismo tiempo, una mayor conductividad térmica y temperatura de funcionamiento simplifican los requisitos de enfriamiento.

Tabla 1: Propiedades eléctricas clave al nivel de materiales básicos para el silicio, dos tipos de SiC y, con fines comparativos, el diamante. (Fuente de la tabla: Semantic Scholar)

Madurez del SiC y AEC-Q101

La transición de los dispositivos de SiC desde la promesa teórica hasta la realización práctica no fue rápida ni fácil. Sin embargo, en la última década, los MOSFET basados en SiC han madurado, luego de evolucionar durante varias generaciones, las cuales han traído mejoras de procesos y cambios estructurales significativos.

Por ejemplo, ROHM Semiconductor ha ofrecido durante mucho tiempo sus dispositivos de SiC de 2.^ª generación, que se han adoptado ampliamente en las aplicaciones automotrices. La mayoría de los MOSFET de SiC estándar, incluidos estos dispositivos de 2.^ª generación, utilizan una estructura plana que se acerca al límite inferior de la resistencia interna del FET a medida que se reduce el tamaño de la celda (Figura 2). En contraste, los productos de 3.^ª generación de ROHM utilizan una estructura de doble trinchera formada bajo la puerta y la fuente, por lo que es posible reducir de forma eficaz el tamaño del canal y la resistencia de encendido.

Figura 2: La transición en los dispositivos de SiC ROHM de la 2.^ª a la 3.^ª generación incorpora mejoras en el proceso, así como cambios estructurales importantes. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Con la 3.^ª generación de MOSFET de SiC ROHM, la estructura de puerta de trinchera patentada reduce la resistencia de encendido en un 50% y la capacitancia de entrada en un 35%, en comparación con los MOSFET de SiC de tipo plano existentes. Esto se traduce en una pérdida de conmutación significativamente más baja y en velocidades de conmutación más rápidas, lo que mejora la eficiencia. Además, en comparación con los dispositivos de 600 V y 900 V, estos MOSFET de SiC de 1200/1800 V cuentan con un área de chip más pequeña (y, por lo tanto, tamaño del paquete), además de una menor pérdida de recuperación a través de los diodos del cuerpo.

Cumplir con los estándares de AEC

Otro problema que ha acompañado la madurez y las múltiples generaciones de dispositivos de SiC es la capacidad para cumplir totalmente con el estándar AEC-Q101. Este estándar se basa en un conjunto de especificaciones del Automotive Electronics Council (AEC), una organización compuesta por los principales fabricantes de automóviles y fabricantes de componentes electrónicos de EE. UU. y responsable de establecer las pruebas de confiabilidad para la electrónica del automóvil. Los protocolos principales son los siguientes:

• AEC-Q100 (dispositivos IC)
• AEC-Q101 (componentes discretos como MOSFET)
• AEC-Q102 (optoelectrónica discreta)
• AEC-Q104 (módulos multichip)
• AEC-Q200 (componentes pasivos)

El estándar AEC-Q101 es mucho más estricto que el que se usa ampliamente en las aplicaciones industriales. Las especificaciones AEC establecen un conjunto de grados, como se muestra en la Tabla 2. Los dispositivos de SiC pueden cumplir con el Grado 0 (de -40 °C a + 150 °C), mientras que los dispositivos de Si solo generalmente no pueden. El grado 1 está indicado para aplicaciones en cabina y garantiza que el dispositivo pueda funcionar de manera estable dentro de un rango de temperatura ambiente de -40 °C a + 125 °C, pero los entornos del tren motriz y debajo del capó requieren grado 0.

Tabla 2: Los estándares de calificación de confiabilidad de AEC son mucho más exigentes que los que se usan para las aplicaciones comerciales e industriales. (Fuente de la tabla: Texas Instruments)

Tenga en cuenta que algunos proveedores informan que las aplicaciones industriales están empleando cada vez más la serie de especificaciones AEC-Q100 para garantizar una mayor confiabilidad. Esta opción es práctica desde una perspectiva de costos, ya que la adopción generalizada de dispositivos y componentes electrónicos en los automóviles ha reducido en gran medida la diferencia de precios industriales frente a los automotrices.

Los dispositivos de SiC son compatibles con diseños de corriente moderada a alta

Los dispositivos de SiC no solo sirven para aplicaciones de alta corriente en los vehículos eléctricos. Además del tren de transmisión, hay muchas funciones de menor potencia (por ejemplo, asientos/ventanas eléctricos, calentadores de asientos y cabinas, precalentadores de baterías, motores de CA, dirección asistida) que pueden beneficiarse de las características de los MOSFET del SiC.

Por ejemplo, el SCT3160KL de ROHM es un MOSFET de potencia de SiC de canal N optimizado para cargas de hasta 17 A (Figura 3). Está alojado en un paquete TO-247N que mide solo 16 mm (ancho) x 21 mm (alto) x 5 mm (espesor) e incluye una pestaña térmica en la parte posterior que permite conectarlo fácilmente a un disipador térmico (Figura 4). Sus especificaciones de nivel superior demuestran que es un buen accesorio para los requerimientos modestos de corriente y potencia (Tabla 3).

Figura 3: El SCT3160KL de ROHM es un MOSFET de potencia de SiC de canal N básico para cargas de hasta 17 A. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Figura 4: El SCT3160KL se ofrece en un paquete de 16 mm × 21 mm × 5 mm e incluye una pestaña térmica posterior que proporciona un mayor potencial de disipación térmica. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Tabla 3: Las especificaciones básicas de SCT3160KL muestran su idoneidad para la variedad de cargas más pequeñas presentes en un VE o las demandas de energía de otras aplicaciones. (Fuente de la tabla: ROHM Semiconductor)

El gráfico del área de operación segura máxima (SOA) es un ejemplo de cómo este dispositivo de SiC es muy adecuado para los ciclos de operación pulsados, que son frecuentes en los productos y reguladores de conmutación a voltajes más altos (Figura 5).

Figura 5: El gráfico SOA del SCT3160KL establece y restringe los límites máximos de la corriente de drenaje, el voltaje de la fuente de drenaje y el manejo de la potencia de pulso. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Obviamente, los beneficios de los dispositivos basados en SiC son más evidentes en los niveles de corriente más altos. Tenga presente el SCT3022AL de ROHM, otro MOSFET de potencia de SiC de canal N en un paquete TO-247N. Sus especificaciones principales (Tabla 4) y SOA (Figura 6) muestran que es una buena opción para convertir la potencia del impulsor del motor, gestionar la batería y cargar los paquetes de baterías en los vehículos eléctricos, gracias a su menor resistencia de encendido y mayores corrientes nominales.

Tabla 4: El MOSFET de potencia de SiC de canal N ROHM SCT3022AL se adapta bien a diseños de corriente más alta debido a su bajo valor de resistencia de encendido y otros atributos. (Fuente de la tabla: ROHM Semiconductor)

Figura 6: El diagrama SOA del MOSFET de potencia de SiC de canal N SCT3022AL muestra claramente su capacidad para soportar eficientemente el uso de corrientes y niveles de potencia relativamente altos. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Controladores de puerta que complementan los FET de SiC

Los dispositivos de potencia solos, ya sean MOSFET de silicio, FET de SiC o IGBT, son solo una parte de la ecuación del diseño de conversión/control de potencia. En realidad, se necesitan tres funciones para obtener una "cadena de señal" de alta potencia: el controlador, el controlador de puerta y el semiconductor de potencia.

Si bien los dispositivos de SiC comparten características similares con los dispositivos de Si (y los IGBT), en relación con la transmisión también presentan diferencias significativas. Por ejemplo, debido a la baja transconductancia de los MOSFET de SiC, la transición de la región lineal (óhmica) a la región de saturación no está tan claramente definida como en los dispositivos de Si. En consecuencia, en los dispositivos de SiC el voltaje de fuente de puerta en estado activado (V_GS) es mayor de 20 voltios, mientras que el valor en estado apagado está entre -2 voltios y -5 voltios (ya que el umbral V_GS tiene un margen de ruido bajo).

Los controladores del SiC requieren lo siguiente:

• Un voltaje de alimentación relativamente alto (de 25 a 30 voltios) para lograr una alta eficiencia a través de las pérdidas de conducción bajas
• Una mayor corriente de accionamiento (generalmente >5 A) y un controlador de baja impedancia y velocidad rápida con una tasa instantánea de cambio de voltaje a lo largo del tiempo (dV/dt) para pérdidas de conmutación más bajas al conducir la corriente dentro y fuera de la capacitancia de la puerta
• Protección rápida contra cortocircuitos (generalmente <400 ns de respuesta), ya que los dispositivos de SiC conmutan más rápido que los dispositivos de Si
• Reducción de los valores de retardo de propagación y sesgo de unidad a unidad (también para una alta eficiencia)
• Por último, una inmunidad dV/dt ultraalta para garantizar un funcionamiento robusto en entornos operativos de alta corriente y alto voltaje

Las diferencias entre los FET basados en SiC, los MOSFET de Si y los IGBT están resumidos en la siguiente tabla.

Tabla 5: Si bien los MOSFET e IGBT basados en Si tienen requisitos de accionamiento un poco similares, las especificaciones para los controladores de dispositivos de SiC difieren bastante. (Fuente de la tabla: Texas Instruments)

Debido a los altos voltajes a los que funcionan estos dispositivos, además de muchos otros factores de topología del sistema, generalmente se incluyen en los criterios de diseño los problemas de regulación relacionados con las dimensiones de fuga y distancia eléctrica. Asimismo, casi siempre es necesario contar con un aislamiento galvánico (óhmico) entre el controlador y los dispositivos de alimentación.

Este aislamiento se puede proporcionar mediante un componente separado e independiente que se coloca entre el regulador y el controlador, o que se incrusta dentro de una unidad multichip. La última opción proporciona una reducción del espacio general, pero algunos diseñadores prefieren usar aisladores independientes para poder elegir la técnica de aislamiento (por ejemplo, magnética, óptica, capacitiva) junto con las especificaciones de rendimiento.

Por ejemplo, el UCC27531-Q1 de Texas Instruments es un controlador de puerta de alta velocidad de canal único no aislado con calificación AEC-Q100 (Grado 1) para dispositivos de SiC (y de otros tipos) (Figura 7). Ofrece un pico de corriente de hasta 2.5 A en modo fuente y 5 A en modo disipador a 18 voltios V_DD. La fuerte capacidad de disipación en el modo de accionamiento asimétrico impulsa la inmunidad contra el efecto de encendido parásito de Miller. El típico retraso de propagación de 17 ns (típico) y tiempos rápidos de subida/caída de 15/7 ns mientras se conduce una carga de 1800 pF lo convierten en un buen accesorio para los dispositivos de SiC.

Figura 7: El controlador de puerta UCC27531-Q1 no aislado de Texas Instruments se adapta bien a los requisitos técnicos de los dispositivos de conmutación de SiC. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Aunque este pequeño controlador SOT-23 de seis conductores parece ser un componente simple que proporciona una funcionalidad sencilla, el accionamiento efectivo requiere una atención detallada a las necesidades específicas de los dispositivos de SiC.

La etapa de salida del dispositivo implementa una arquitectura única que le permite entregar la corriente de fuente pico más alta cuando más se necesita. Esto ocurre durante la región de la meseta de Miller de la transición de encendido del interruptor de alimentación, cuando el voltaje del colector/drenaje del interruptor de alimentación experimenta el dV/dt más alto (Figura 8). A tal efecto, enciende su MOSFET de canal N durante el intervalo estrecho cuando la salida cambia de estado de bajo a alto, y el controlador de puerta puede proporcionar un breve impulso en la corriente de fuente máxima, lo que permite un encendido rápido.

Figura 8: El controlador de puerta UCC27531-Q1 de Texas Instruments agrega circuitos y temporización especiales para maximizar la corriente de fuente y entregarla en el instante en que el dispositivo de alimentación de SiC más la necesita. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Entre las soluciones de controladores de SiC aisladas se encuentra el SIC1182K de Power Integrations, un controlador de puerta de SiC de un solo canal de 8 A con sujeción activa avanzada y aislamiento reforzado de hasta 1200 V. Tenga en cuenta que si bien este módulo de controlador de SiC aislado no está calificado por AEC, Power Integrations también ofrece la serie de controladores de puerta SID11x2KQ MOSFET/IGBT que es muy similar y está calificada como AEC-100 Grado 1. Un ejemplo es el SID1182KQ-TL, un controlador de puerta IGBT/MOSFET de canal único de 8 A/1200 V.

El SIC1182K está alojado en un paquete eSOP-R16B de 16 conductores (9 mm x 10 mm x 2.5 mm) con una fuga y una distancia eléctrica de 9.5 mm que cumple con los requisitos regulatorios, y una conexión sustancial potencial a tierra del lado primario que también sirve como un ala de disipación de calor (Figura 9). El aislamiento es proporcionado por la tecnología FluxLink de aislante sólido, patentada de la compañía, y el controlador ha adquirido tanto la certificación VDE 0884-10 como el reconocimiento UL 1577 (pendiente).

Figura 9: La conexión combinada de los pines 3, 4, 5 y 6 en el controlador de puerta de SiC aislado SIC1182K de Power Integrations proporciona una ruta térmica, así como una fuerte conexión a tierra del lado primario. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

El SIC1182K combina protección contra cortocircuitos durante la fase de encendido, así como limitación de sobretensión en el apagado a través de una sujeción activa avanzada, todo mediante un solo pin sensor. Un controlador de puerta aislado requiere conexiones para la alimentación del lado primario/secundario y a tierra, control lógico y salida del accionamiento. Se proporcionan conexiones adicionales para lograr un controlador más robusto (Figura 10). Por ejemplo, conexiones para una señal de falla lógica (drenaje abierto), una entrada de detección que busca casos de cortocircuito en el encendido y limita las sobretensiones en el apagado, una fuente de voltaje de suministro de arranque y bomba de carga, y un potencial de referencia del lado secundario.

Figura 10: El controlador de puerta de SiC aislado SIC1182K incorpora pines que aumentan la robustez de las funciones de accionamiento en un circuito práctico que siempre tiende a estar sujeto a fallas de funcionamiento y comportamientos imprevistos. (Fuente de la imagen: Power Integrations)

Conclusión

Un VE viable necesita baterías avanzadas, así como una administración de la energía de alto rendimiento, los cuales se pueden satisfacer mejor con dispositivos de conmutación de energía avanzados como los MOSFET de SiC. Como se muestra arriba, los dispositivos de 2.^ª y 3.^ª generación proporcionan un rendimiento en múltiples parámetros, que es superior a los componentes de Si existentes con respecto a la resistencia de encendido, las pérdidas, el rendimiento de conmutación y las capacidades térmicas.

Sin embargo, para aprovechar todo el potencial de estos dispositivos de SiC de alto rendimiento, los diseñadores también deben seleccionar controladores de puerta adaptados a las necesidades de la aplicación.