Motores
Tradicionalmente, los circuitos estándar del accionamiento del motor se han colocado en una caja separada del motor, lo que añade peso y aumenta el tamaño total de la arquitectura del accionamiento del motor. Además, los cables de interfaz entre los circuitos de accionamiento y el motor añaden inductancia al circuito, lo que puede provocar sobretensiones transitorias en el motor procedentes del accionamiento de alta frecuencia. Esto también puede dar lugar a un diseño de densidad de potencia ineficiente.
En el mundo actual de la gestión de potencia, los transistores de potencia de banda ancha, como los de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN), permiten a los diseñadores reducir la electrónica de potencia aumentando la frecuencia de conmutación. Y como el SiC y el GaN son mucho más eficientes y disipan menos calor, se necesitan disipadores más pequeños. Este tamaño reducido permite integrar los componentes del accionamiento en el propio motor, lo que se traduce en un sistema más ligero y compacto.
Esta mejora de la arquitectura es especialmente importante en los motores de tracción de los vehículos eléctricos, donde el peso y la eficiencia son más deseables. (Figura 1).
Figura 1: Con los MOSFET de SiC puede crearse un sistema de transmisión para vehículos eléctricos (VE) en un accionamiento modular integrado del motor (IMMD) que ofrece mayor eficiencia, velocidades de conmutación más rápidas y un funcionamiento más frío, al tiempo que cumple los estrictos requisitos de calidad de la industria del automóvil (Imagen cortesía de Wolfspeed).
Ventajas de los elementos de potencia WGP
Las principales ventajas de los dispositivos WBG se deben a sus menores pérdidas globales, su rápida capacidad de conmutación y su capacidad de funcionamiento a altas temperaturas. El SiC y el GaN serán los principales dispositivos WBG para arquitecturas de potencia. Teniendo en cuenta los rangos de tensión de los dispositivos WBG, los transistores de potencia de GaN tienen valores nominales de tensión de hasta 650 V, mientras que los de SiC empiezan en 650 V y se extienden hasta 10 kV en módulos.
Los diseños de accionamientos de motores en el sector aeroespacial, los sistemas de tracción de vehículos y otros se beneficiarán de WBG e IMMD. Además de la reducción de tamaño y peso, el coste más elevado de los dispositivos WBG puede compensarse eliminando el armario independiente y los conectores y cables asociados. Además, la ausencia de cables de conexión reduce la corriente de fuga en el aislamiento del bobinado del motor, lo que aumenta su vida útil y mejora las interferencias electromagnéticas (EMI). Por último, se reducirán los costes de instalación, fabricación y mantenimiento.
Teniendo en cuenta los rangos de tensión de los dispositivos WBG, los transistores de potencia de GaN tienen tensiones nominales de hasta 650 V, mientras que los de SiC empiezan en 650 V y se extienden hasta 10 kV en módulos.
Híbridos SiC/Si
Figura 2: Diagrama de circuito de un módulo de alimentación SiC-Schottky Barrier Diode (SiC-SBD) de alta potencia, bajas pérdidas y fiable para inversores de tracción (Imagen cortesía de Mitsubishi).
Figura 3: Conmutación de alta velocidad para SiC frente a Si (Imagen cortesía de Mitsubishi)
Recuperación inversa
La corriente de recuperación inversa del diodo y las pérdidas de conmutación del IGBT pueden reducirse drásticamente sustituyendo el diodo PiN de silicio de giro libre por un diodo de barrera Schottky (SBD) de SiC.
Los diodos de barrera Schottky de SiC presentan una carga de recuperación inversa (Qrr) cero para operaciones de conmutación ultrarrápidas. El Qrr ultrabajo de los SBD de SiC reduce las pérdidas de conmutación en una aplicación típica basada en un IGBT de conmutación dura. Esto reduce la temperatura de la caja del IGBT, mejorando la eficiencia del sistema y permitiendo posiblemente una reducción del tamaño del IGBT de silicio. (Figura 4)
Figura 4: Carga de recuperación inversa (Qrr) de diodos Schottky de SiC de 650 V (figura de la izquierda) y 1200 V (figura de la derecha) y diodos bipolares de silicio a distintas temperaturas. Las zonas sombreadas representan la energía desperdiciada debido a la recombinación de los portadores minoritarios del diodo bipolar de silicio. (Imagen cortesía de CREE)
Aplicaciones de los dispositivos WBG en los accionamientos de motores
Los dispositivos WBG ofrecen importantes ventajas para muchas aplicaciones, incluidos los accionamientos de motores. La figura 5 muestra aplicaciones de motores de baja inductancia, alta velocidad y alta temperatura, requisitos importantes y limitaciones de las soluciones de Si.
Figura 5: Varias aplicaciones de WBG en accionamientos de motor (Imagen de la referencia 1, abajo)
Así, podemos ver que los dispositivos WBG permiten de forma eficiente motores de alta potencia y baja inductancia que requieren una alta frecuencia de conmutación y un gran ancho de banda. Y no olvidemos el vehículo eléctrico, que utiliza una sofisticada electrónica de potencia para gestionar el flujo de energía entre la demanda de las ruedas, el motor de combustión y los dispositivos de almacenamiento. Los cargadores de baterías también son una aplicación excelente para que los dispositivos de SiC realicen su magia. De las necesidades de la industria surgirán más aplicaciones gracias a las fértiles mentes de los ingenieros de diseño.
Referencias
- Dispositivos de banda ancha en accionamientos eléctricos de CA: Opportunities and Challenges, Ajay Kumar Morya, Member IEEE, Matthew C. Gardner, Student Member IEEE, Bahareh Anvari, Member IEEE, Liming Liu, Senior Member IEEE, Alejandro G. Yepes, Member IEEE, Jesús Doval-Gandoy, Member IEEE, and Hamid A. Toliyat, Fellow IEEE, IEEE TRANSACTIONS ON TRANSPORTATION ELECTRIFICATION, VOL. 5, NO. 1, MARZO 2019
