Cómo hacer que las infraestructuras energéticas sean más eficientes y fiables a la vez que se reducen los costos

Los diseñadores de infraestructuras energéticas, desde las estaciones de recarga de vehículos eléctricos (VE) y los inversores solares hasta el almacenamiento de energía y los sistemas de alimentación ininterrumpida, se enfrentan continuamente al reto de reducir la huella de carbono, mejorar la fiabilidad y reducir el costo.

Para lograr estos objetivos, tienen que estudiar detenidamente cómo pueden optimizar sus soluciones de conversión de energía para reducir las pérdidas por conducción y conmutación, mantener un buen rendimiento térmico, reducir el factor de forma general y disminuir las interferencias electromagnéticas (EMI). También deben asegurarse de que la solución elegida es capaz de cumplir con el proceso de aprobación de piezas de producción (PPAP) y estar calificada según la norma AEC-Q101.

Para hacer frente a estos retos, los diseñadores pueden recurrir a una variedad de MOSFET de potencia de carburo de silicio (SiC), diodos Schottky de SiC, CI de controlador de compuerta y módulos de potencia.

Este artículo repasa brevemente cómo la tecnología de SiC puede aumentar la eficiencia y la fiabilidad y reducir el costo, en comparación con los enfoques clásicos de silicio (Si). A continuación, examina las opciones de empaquetado e integración de sistemas para SiC antes de presentar varios ejemplos reales de onsemi y mostrar cómo los diseñadores pueden aplicarlos de la mejor manera para optimizar el rendimiento de los MOSFET de potencia y los controladores de compuerta de SiC para hacer frente al desafío de la infraestructura energética.

SiC vs. Si

El SiC es un material de banda prohibida (WBG), con un bandgap de 3,26 electronvoltios (eV) en comparación con el bandgap de 1,12 eV del Si. También ofrece 10 veces más capacidad de campo de ruptura, más de 3 veces más conductividad térmica y puede funcionar a temperaturas mucho más altas en comparación con el Si. Estas especificaciones hacen que el SiC sea idóneo para su uso en aplicaciones de infraestructuras energéticas (Tabla 1).

Tabla 1: Las propiedades del material 4H-SiC comparadas con las del Si hacen que el SiC sea idóneo para su uso en aplicaciones de infraestructuras energéticas. (Fuente de la imagen: onsemi)

El mayor campo de ruptura permite que los dispositivos de SiC más finos tengan el mismo voltaje nominal que los dispositivos de Si más gruesos, y los dispositivos de SiC más finos tienen una resistencia en estado encendido más baja y una mayor capacidad de corriente. El parámetro de movilidad del SiC está en el mismo orden de magnitud que el del Si, lo que hace que ambos materiales puedan utilizarse en la conversión de energía de alta frecuencia, que admite factores de forma compactos. Su mayor conductividad térmica hace que los dispositivos de SiC experimenten un menor aumento de temperatura a niveles de corriente más elevados. La temperatura de funcionamiento de los dispositivos de SiC está limitada por factores de empaquetado, como las uniones de cables, y no por las características del material de SiC. Por ello, la selección del estilo de embalaje óptimo es una consideración importante para los diseñadores a la hora de utilizar el SiC.

Las características del material SiC lo convierten en una opción superior para muchos diseños de conversión de energía de alta tensión, alta velocidad, alta corriente y alta densidad. En muchos casos, la cuestión no es si hay que utilizar SiC, sino qué tecnología de envasado de SiC ofrece el mejor rendimiento y la mejor relación calidad-precio.

Los diseñadores tienen tres opciones básicas de empaquetado cuando utilizan la tecnología de potencia SiC: dispositivos discretos, módulos de potencia inteligentes (IPM) o módulos de potencia integrados (PIM), cada uno de los cuales ofrece un conjunto único de compensaciones de costo y rendimiento (Tabla 2). Por ejemplo:

• En general, se prefieren los dispositivos discretos cuando el costo es una consideración primordial, como las aplicaciones de consumo. También admiten la doble alimentación y tienen una larga vida útil.
• Las soluciones IPM reducen el tiempo de diseño, tienen la máxima fiabilidad y son las más compactas para niveles de potencia moderados.
• Los PIM pueden admitir diseños de mayor potencia con buenas densidades de energía, un tiempo de comercialización razonablemente rápido, una amplia variedad de opciones de diseño y más oportunidades de doble abastecimiento, en comparación con los MIP.

Tabla 2: Comparación de las características de integración y de las ventajas y desventajas a la hora de elegir entre soluciones de empaquetado SiC discretas, IPM y PIM. (Fuente de la imagen: onsemi)

MIP híbridos de Si/SiC

Aunque es posible desarrollar soluciones utilizando únicamente dispositivos de SiC, a veces resulta más rentable utilizar diseños híbridos de Si/SiC. Por ejemplo, el IPM híbrido NFL25065L4BT de onsemi combina transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de cuarta generación con un diodo reforzador de SiC en la salida para formar una etapa de entrada con corrección de factor de potencia (PFC) entrelazada para aplicaciones industriales, médicas y de consumo (figura 1). Este IPM compacto incluye un accionamiento de puerta optimizado para los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) a fin de minimizar la EMI (interferencia electromagnética). Las características de protección integradas incluyen el bloqueo por baja tensión, la desconexión por sobrecorriente, la supervisión térmica y la notificación de fallos. Otras características del NFL25065L4BT incluyen:

• Corrección de factor de potencia (PFC) bifásico entrelazado de 600 voltios/50 amperios (A)
• Optimizado para una frecuencia de conmutación de 20 Kilohertz (kHz)
• Baja resistencia térmica utilizando un sustrato de cobre de enlace directo (DBC) de óxido de aluminio
• Termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC) integrado para el control de la temperatura
• Capacidad de aislamiento de 2500 voltios cuadráticos medios (rms)/1 minuto
• Certificación UL

Figura 1: El IPM NFL25065L4BT forma una etapa PFC entrelazada que utiliza transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de cuarta generación con un diodo reforzador de SiC en la salida. (Fuente de la imagen: onsemi)

PIM SiC

Para los inversores solares, las estaciones de carga de vehículos eléctricos y otras aplicaciones similares que pueden beneficiarse del uso de un PIM basado en SiC para maximizar la entrega de energía con una huella reducida y un menor volumen total, los diseñadores pueden recurrir al NXH006P120MNF2PTG. Este dispositivo consta de un semipuente MOSFET de SiC de 6 miliohmios (mΩ) y 1200 voltios y un termistor NTC integrado en un paquete F2 (Figura 2). Las opciones del paquete incluyen:

• Con o sin material de interfaz térmica (TIM) preaplicado
• Clavijas soldables o clavijas a presión

Figura 2: El módulo de alimentación integrado NXH006P120MNF2PTG se presenta en un encapsulado F2 con pines a presión. (Fuente de la imagen: onsemi)

Estos IPM tienen una temperatura de unión máxima de funcionamiento de 175 grados Celsius (°C) y requieren control externo y controladores de compuerta. La tecnología opcional de ajuste a presión, también llamada soldadura en frío, proporciona una conexión fiable entre los pines y los agujeros pasantes de la placa de PC. La fijación a presión permite un ensamble simplificado sin necesidad de soldar y produce una conexión metal-metal hermética y de baja resistencia.

Diodos Schottky de SiC

Los diodos Schottkyde SiC pueden utilizarse en combinación con IPM, o en diseños 100% discretos, y proporcionan un mejor rendimiento de conmutación y una alta fiabilidad en comparación con los diodos de Si. Los diodos Schottky de SiC, como el NDSH25170A de 1700 voltios/25 A, no tienen corriente inversa de recuperación, tienen un excelente rendimiento térmico y características de conmutación independientes de la temperatura. Esto se traduce en una mayor eficiencia, frecuencias de conmutación más rápidas, mayores densidades de potencia, menor EMI y facilidad de conexión en paralelo, todo lo cual contribuye a reducir el tamaño y el costo de la solución (figura 3). Características del NDSH25170A incluyen:

• 175 °C de temperatura máxima de unión
• 506 milijulios (mJ) de capacidad de avalancha
• Corriente de choque no repetitiva de hasta 220 A y corrientes de choque repetitivas de hasta 66 A
• Coeficiente de temperatura positivo
• Normalmente abierto (NO) y sin recuperación hacia delante
• Calificación AEC-Q101 y capacidad de PPAP

Figura 3: El diodo Schottky de SiC de 1700 voltios/25 A no tiene corriente inversa de recuperación, tiene un excelente rendimiento térmico y características de conmutación independientes de la temperatura. (Fuente de la imagen: onsemi)

MOSFET de SiC discretos

Los diseñadores pueden combinar los Schottkys discretos de SiC con los MOSFET de 1200 V de SiC de onsemi, que también tienen un rendimiento de conmutación superior, una menor resistencia a la conexión y una alta fiabilidad en comparación con los dispositivos de Si. El tamaño compacto del chip de los MOSFET de SiC produce una baja capacitancia y carga de puerta. En combinación con su baja resistencia a la conexión, la menor capacitancia y carga de la puerta ayudan a aumentar la eficiencia del sistema, permiten frecuencias de conmutación más rápidas, aumentan la densidad de potencia, reducen las interferencias electromagnéticas (EMI) y permiten factores de forma más pequeños. Por ejemplo, el NTBG040N120SC1 tiene una capacidad nominal de 1200 voltios y 60 A, y se presenta en un encapsulado de montaje superficial D2PAK-7L (Figura 4). Las características incluyen:

• Carga típica de la puerta de 106 nanoculombios (nC)
• Capacitancia de salida típica de 139 picofaradios (pF)
• 100% de pruebas de avalancha
• Temperatura de funcionamiento de unión de 175 °C
• Calificación AEC-Q101

Figura 4: El MOSFET de SiC NTBG040N120SC1 tiene una potencia nominal de 1200 voltios/60 A, una resistencia en estado encendido de 40 mΩ y se presenta en un encapsulado de montaje superficial D2PAK-7L. (Fuente de la imagen: onsemi)

Controlador de compuerta MOSFET de SiC

Los controladores de compuerta para MOSFET de SiC, como la línea NCx51705 de onsemi, proporcionan un voltaje de accionamiento más alto que los controladores para MOSFET de Si. Se necesita una tensión de puerta de 18 a 20 voltios para encender completamente un MOSFET de SiC, en comparación con los menos de 10 voltios necesarios para encender un MOSFET de Si. Además, los MOSFET de SiC requieren de -3 a -5 voltios de accionamiento de la puerta cuando se apaga el dispositivo. Los diseñadores pueden utilizar el controlador de alta velocidad NCP51705MNTXG de 6 A de lado bajo, optimizado para MOSFET de SiC (Figura 5). El NCP51705MNTXG ofrece la máxima tensión nominal de accionamiento para permitir bajas pérdidas de conducción, y proporciona altas corrientes de pico durante el encendido y el apagado para minimizar las pérdidas de conmutación.

Figura 5: Esquema simplificado que muestra dos CI controladores de MOSFET NCP51705MNTXG (centro a la derecha) que accionan dos MOSFET de SiC (derecha) en una topología de medio puente. (Fuente de la imagen: onsemi)

Los diseñadores pueden utilizar la bomba de carga integrada para generar un carril de tensión negativa seleccionable por el usuario para ofrecer una mayor fiabilidad , una inmunidad dv/dt mejorada y una desconexión más rápida. En los diseños aislados, un riel de 5 voltios accesible desde el exterior puede alimentar el lado secundario de los optoacopladores digitales o de alta velocidad. Las funciones de protección del NCP51705MNTXG incluyen el apagado térmico basado en la temperatura de la unión del circuito controlador y la supervisión del bloqueo por subtensión de la potencia de polarización.

Consideraciones sobre la placa de evaluación y el accionamiento de la puerta de SiC

Para acelerar el proceso de evaluación y diseño, los diseñadores pueden utilizar la placa de evaluación (EVB) del NCP51705SMDGEVB (Figura 6). El EVB incluye un controlador NCP51705 y toda la circuitería de accionamiento necesaria, incluido un aislador digital integrado y la posibilidad de soldar cualquier MOSFET de SiC o Si en un encapsulado TO-247. El EVB está diseñado para su uso en cualquier aplicación de conmutación de potencia en el lado bajo o en el lado alto. Dos o más de estos EVB pueden configurarse en un tótem.

Figura 6: El EVB NCP51705SMDGEVB tiene orificios (arriba a la izquierda) para conectar un MOSFET de potencia de SiC o Si, e incluye el controlador NCP51705 (U1, centro a la izquierda) y el CI aislador digital (centro a la derecha). (Fuente de la imagen: onsemi)

La minimización de la inductancia y la capacitancia parásitas de la placa de PC es importante cuando se utiliza el controlador de compuerta NCP51705 con un MOSFET de SiC (Figura 7). Algunas consideraciones sobre la disposición de la placa de PC incluyen:

• El NCP51705 debe estar lo más cerca posible del MOSFET de SiC, prestando especial atención a las trazas cortas entre VDD, SVDD, V5V, la bomba de carga y el condensador VEE y el MOSFET.
• La traza entre VEE y PGND debe ser lo más corta posible.
• Es necesario que haya una separación entre las trazas de alto dV/dt y la entrada del controlador y el DESAT para evitar un funcionamiento anormal que pueda resultar del acoplamiento de ruido.
• Para los diseños de alta temperatura, deben utilizarse vías térmicas entre la placa descubierta y la capa exterior para minimizar la impedancia térmica.
• Es necesario utilizar trazos anchos para OUTSRC, OUTSNK y VEE.

Figura 7: Disposición recomendada de la placa de PC para el NCP51705 a fin de minimizar la inductancia y capacitancia parásitas para el accionamiento de los MOSFET de SiC. (Fuente de la imagen: onsemi)

Conclusión:

El SiC desempeña un papel importante a la hora de ayudar a los diseñadores a satisfacer las exigencias de un número y una variedad crecientes de aplicaciones de infraestructuras energéticas. Los diseñadores pueden ahora utilizar los dispositivos SiC para realizar diseños de conversión de energía de alta tensión, alta velocidad y alta corriente más eficientes que dan lugar a soluciones de menor tamaño y mayor densidad de potencia. Sin embargo, la selección del estilo de embalaje óptimo es importante para obtener el máximo beneficio del diseño con SiC.

Como se ha visto, hay que tener en cuenta una serie de compensaciones de rendimiento, tiempo de comercialización y costo a la hora de elegir entre dispositivos discretos, IPM y PIM. Además, cuando se utilizan dispositivos discretos o PIM, la selección del controlador de compuerta SiC y la disposición óptima de la placa a placa son fundamentales para lograr un rendimiento fiable y eficiente del sistema.

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