Fuentes de alimentación industriales
En el sector industrial actual, las fuentes de alimentación con capacidades de alta frecuencia y menores pérdidas por conmutación son una tendencia que contribuye a reducir costes y aumentar la densidad de potencia. Las topologías avanzadas y las nuevas estrategias de control, así como los innovadores diseños magnéticos de alta frecuencia, están ofreciendo soluciones creativas en este sector. Los semiconductores de banda prohibida ancha ofrecen un rendimiento óptimo en el centro de estos diseños.
Algunas de las principales arquitecturas energéticas que se incluyen en las fuentes de alimentación industriales son los convertidores conectados a la red, los inversores solares, el calentamiento por inducción, la tracción/motorización y los SAI.
Otras arquitecturas energéticas clave para aplicaciones industriales
Eficiencia de los convertidores industriales - Corrección del factor de potencia (PFC)
El factor de potencia (FP) es un número adimensional que oscila entre -1 y 1 y se define como la relación entre la potencia real y la potencia aparente absorbida por la carga. Un FP de 1 significa que la carga absorbe el 100% de la potencia. El PFC es clave para reducir en gran medida la potencia desperdiciada aumentando el factor de potencia de una fuente de alimentación. Sin PFC, las fuentes de alimentación consumen corriente en pulsos cortos de alta magnitud. Con el PFC, estos pulsos se suavizan para reducir la corriente cuadrática media (RMS) de entrada y la potencia aparente de entrada. Esto dará forma efectiva a la corriente de entrada para maximizar la potencia obtenida de la fuente.
Se necesitan frontales PFC y dispositivos semiconductores más eficientes para cumplir unas normas de eficiencia cada vez más estrictas. La tabla siguiente muestra las especificaciones de eficiencia Energy Star 80 Plus. Para lograrlo, la tendencia es pasar de simples rectificadores de puente con un voluminoso condensador para suavizar las ondulaciones en la salida de CC, a la nueva técnica de utilizar una tecnología Totem pole que llevará la fuente al ámbito de la eficiencia de más del 90 por ciento. Véase la Tabla 1, a la derecha.
¿Cómo lo hacemos? Eliminando el puente de diodos estándar y sustituyéndolo por una topología semibrida Dual-boost o una arquitectura Totem de puente completo con alta frecuencia, habilitada por SiC o GaN, que permite el uso de componentes circundantes más pequeños y asequibles. Véase la Figura 1, a la derecha.
La mayor capacidad de frecuencia de los circuitos integrados de potencia de SiC permite utilizar componentes externos de menor tamaño y coste en la fuente de alimentación.
Veamos también una solución PFC basada en Totems de GaN. El ejemplo de la figura 2 utiliza dispositivos de GaN en el tramo de mayor frecuencia para mejorar la eficiencia y MOSFET de Si en el segundo tramo de conmutación más lenta. Dependiendo del requisito de eficiencia, pueden utilizarse diodos o MOSFET en el segundo tramo para satisfacer las necesidades de rentabilidad.
También estudiaremos un buen diseño de filtro EMI entre el Tótem y la fuente de CA para poder cumplir las normas EMI. El filtro atenuará el ruido de la conmutación de alta velocidad de los circuitos Bridgeless Totem Pole-Power Factor Correction (BTP-PFC). Véase la figura 2, a la derecha.
Los dispositivos de potencia HEMT de GaN aportarán al sistema las ventajas de una alta densidad de potencia con un filtro EMI y un inductor compactos, al tiempo que mejoran la eficiencia. Los circuitos de GaN pueden diseñarse para funcionar a alta frecuencia, cumplir los requisitos de EMI y alcanzar una alta densidad de potencia y un elevado rendimiento.
Convertidores conectados a la red
Los convertidores conectados a la red controlan el flujo de energía entre las salidas trifásicas de la compañía eléctrica y las distintas cargas, junto con los dispositivos de almacenamiento y generación de energía. La conversión de potencia trifásica CA/CC (o CC/CA) conectada a la red es necesaria en una amplia gama de aplicaciones industriales, incluidas las interfaces electrónicas de potencia de sistemas de energías renovables como la eólica, la solar y el almacenamiento en baterías.
Para aplicaciones de potencia bidireccionales, las topologías de dos niveles que utilizan MOSFETs de SiC presentan una notable mejora con respecto a los IGBTs de Si. Los dispositivos de potencia de SiC reducen enormemente las pérdidas de conmutación en comparación con los IGBT de 1200 V. Los dispositivos de SiC también amplían la gama de frecuencias de conmutación de una arquitectura que utiliza un convertidor de dos niveles y seis conmutadores que mantendrá una mayor eficiencia a plena carga y a carga parcial. Véase la figura 3, a la derecha.
Otro ejemplo de cómo los MOSFET de SiC mejoran este diseño con respecto a los IGBT de Si es el aumento significativo de la densidad de potencia del sistema gracias a un menor magnetismo y a un disipador de calor más pequeño o inexistente. Otra ventaja del diseño con MOSFET de SiC es que el diodo de cuerpo del dispositivo (mostrado en la figura 1) puede utilizarse como diodo antiparalelo, lo que reduce el coste y la complejidad del circuito.
Nota: El MOSFET de SiC sólo puede transportar corriente positiva (MOSFET de canal n, de drenaje a fuente). Si la carga es inductiva, hay momentos en los que el interruptor (MOSFET) debe estar encendido, pero la corriente fluye en sentido contrario. El diodo proporciona a esta corriente un camino por el que fluir. Si no se utiliza el diodo, la corriente inductiva cesa instantáneamente, generando picos de alta tensión.
Convertidores conectados a la red
Las ventajas de este tipo de topología con dispositivos WBG son las siguientes:
- Reducción del consumo total de energía
- Mayor eficacia
- Rendimiento térmico mejorado
- Reducción del tamaño y peso de la fuente de alimentación
Inversores CC-CA
Las implementaciones más comunes de los inversores CC-CA incluyen etapas de inversor monofásico y trifásico para accionamientos de motores de CA (Figura 5, a la derecha) e inversores solares (Figura 6, a la derecha).
Aplicaciones como los inversores solares y los accionamientos de motores de CA se benefician enormemente del uso de semiconductores WBG.
Las ventajas de la potencia WBG en este diseño son:
- Menor complejidad de los circuitos
- Alta eficiencia y densidad de potencia
- Rendimiento térmico mejorado
- Capacidad de flujo bidireccional de energía (de la batería a la red)
Las fuentes de alimentación TI utilizan SiC
Los centros de datos consumen entre el 2% y el 4% de toda la energía eléctrica de Estados Unidos. Esto significa que las fuentes de alimentación para TI (o fuentes de alimentación para servidores) marcarán una enorme diferencia en eficiencia y costes operativos.
Los centros de datos consumen una gran cantidad de energía y pequeños aumentos de la eficiencia se traducen en grandes ahorros. La refrigeración de un centro de datos puede consumir hasta el 40% de la factura eléctrica. Los diseñadores de fuentes de alimentación están integrando diodos y MOSFET de SiC, con excelentes resultados. Los componentes de SiC están permitiendo una eficiencia máxima superior al 98,5%, lo que reduce drásticamente la generación de calor.
Cuando los centros de datos emplean MOSFET de SiC y diodos o dispositivos de GaN en sus diseños de fuentes de alimentación con PFC, el rendimiento térmico del servidor mejora lo suficiente como para generar un ahorro del 40% en costes energéticos sólo en refrigeración. Mientras tanto, los costes operativos se reducirán y la frecuencia de conmutación aumentará hasta una eficiencia máxima superior al 98,5% para alcanzar un estándar 80+ Titanium. En el periodo comprendido entre 2010 y 2020, los servidores que utilicen dispositivos SiC habrán aportado 620.000 millones de kWh de ahorro energético.
Los electrodomésticos deben cumplir los estrictos requisitos de Energy Star
Tomemos un frigorífico y sustituyamos ese electrodoméstico de tecnología antigua para que cumpla la clasificación Energy Star. Al hacerlo, los consumidores pueden ahorrar más de 200 dólares en los 12 años de vida útil de ese electrodoméstico.
El diseño con dispositivos de potencia de GaN y SiC en una fuente de alimentación BTP-PFC permitirá una eficiencia superior al 95% con una pérdida del 5% en calor disipado y desperdiciado. El GaN y el SiC pueden aumentar la eficiencia en más de un 1% con respecto a esa pérdida del 5%. Una mejora del 1% en la eficiencia equivale a una reducción del 10% en la disipación de calor. Esto permite reducir el tamaño de los disipadores de calor, los imanes y los condensadores en la placa de circuito impreso.
Wolfspeed tiene las resistencias de estado encendido más bajas del sector en un encapsulado discreto en el rango de temperaturas de funcionamiento de -40 grados C a +175 grados C, con los MOSFET de SiC de 60 mΩ especificados para un RDS(on) de 79 mΩ a 175 °C, solo 1,3 veces el valor nominal a 25 grados C.
Tabla 1: Especificaciones de eficiencia 80 PLUS
Figura 1. PFC híbrido La figura de la izquierda es un PFC semibrido de doble refuerzo que utiliza circuitos integrados de potencia de Si. La figura de la derecha es un PFC tótem híbrido con dispositivos de potencia de SiC (imagen de Wolfspeed).
Figura 2: Un circuito BTP-PFC típico con filtro EMI (Imagen de GaN Systems)
Figura 3 Etapa de potencia de un convertidor de dos niveles con MOSFET de SiC (Imagen de Wolfspeed)
Figura 4: Un AC/DC industrial con PFC seguido de un convertidor de potencia DC/DC (Imagen de Wolfspeed)
Figura 5: Etapa de inversor trifásico para accionamiento de motor de CA
Figura 6: Inversor de conexión a red
Ventajas de los dispositivos de potencia WBG frente al Si
Los convertidores electrónicos de potencia tradicionales que utilizan dispositivos de potencia basados en Si no podrán satisfacer las crecientes demandas de mayor eficiencia, ancho de banda de control, densidad de potencia y frecuencia de conmutación.
Las frecuencias de conmutación más altas, que reducen el tamaño de los imanes y aumentan la temperatura de funcionamiento, son útiles sobre todo en aplicaciones industriales difíciles.
Cuando comparamos el Si con el GaN y el SiC, encontramos algunas propiedades distintivas que permiten a estos dispositivos funcionar con corrientes de fuga más bajas y tensiones más altas. Es un hecho que se puede conseguir una mayor frecuencia operativa mediante un aumento de la movilidad de los electrones y de la velocidad de saturación de los electrones. En comparación con los dispositivos de Si, los semiconductores WBG tienen una menor concentración intrínseca de portadores (10-35 órdenes de magnitud), una mayor conductividad térmica (3-13 veces), un mayor campo eléctrico de ruptura (4-20 veces) y una mayor velocidad de saturación (2-2,5 veces).
El SiC también tiene una movilidad de electrones mayor que el Si y el GaN presenta una movilidad de electrones superior tanto al Si como al SiC. Esto significa que el GaN ofrece el mejor rendimiento a frecuencias muy altas. Se prevé que la diferencia de precio total entre el SiC/GaN y el Si siga disminuyendo constantemente. También se prevé que el GaN ofrezca un mejor resultado que el SiC e incluso que el Si en términos de coste añadido en las aplicaciones de frecuencia de conmutación más alta.
Veamos la conductividad térmica, que representa otro factor crucial: cuanto mayor es la conductividad térmica, más eficaces son las propiedades de conducción del calor. El SiC presenta una conductividad térmica superior a la del GaN o el Si, por lo que los dispositivos de SiC pueden funcionar teóricamente a densidades de potencia superiores a las de los dispositivos de GaN y Si. En resumen, la mayor conductividad térmica, la banda prohibida más ancha y el campo de ruptura más alto dan a los semiconductores de SiC ventaja sobre otros dispositivos semiconductores en aplicaciones de alta potencia.
En conclusión, los dispositivos discretos de SiC y GaN están pasando a módulos de mayor contenido que abaratan los costes, reducen el tamaño y mejoran el rendimiento. Los dispositivos WBG han avanzado mucho en la sustitución del Si, ofreciendo las ventajas de reducir las pérdidas de conmutación, disminuir el volumen de refrigeración y reducir el coste de las soluciones térmicas.
