Los ingenieros necesitan toda la ayuda disponible para desarrollar nuevos accionamientos eléctricos con rapidez. Las diferencias van mucho más allá de sus características físicas en cuanto a limitaciones de tamaño, forma y peso. Los requisitos de seguridad funcional y eléctrica, así como las condiciones ambientales, dependen en gran medida de las aplicaciones y de la zona geográfica. Por otro lado, la competitividad entre los fabricantes exige un corto plazo de comercialización.
Por lo que se refiere al rendimiento y la fiabilidad, el carburo de silicio (SiC) es la mejor tecnología de semiconductores de potencia. La preocupación por la autonomía es un aspecto que ha alejado el mercado de los automóviles del silicio y lo ha acercado al SiC, que ofrece una mayor eficiencia energética, en vehículos como autobuses que recorren rutas conocidas y vehículos pesados que cubren distancias relativamente cortas. Para estas aplicaciones, la capacidad del SiC de funcionar con tensiones altas hace que la carga sea más rápida, mientras que su capacidad para funcionar a alta temperatura contribuye a maximizar la fiabilidad. Además los módulos requieren menos dispositivos de SiC y los MOSFET de SiC pueden ser más pequeños, por lo que se refiere a la tensión de ruptura, que sus homólogos de silicios. Esto abre la posibilidad de reducir el tamaño del módulo.
Sin embargo, los dispositivos de potencia de SiC no pueden reemplazarse directamente por MOSFET o IGBT de silicio. Establecer el control adecuado de la puerta para asegurar unas transmisiones rápidas y suevas en la conmutación a alta frecuencia no resulta sencillo. Además existen otras dificultades como la integración de componentes de hardware, especialmente el inversor y el módulo de potencia inteligente, así como la configuración y la calibración del software de control del motor.
Desarrollo más rápido
CISSOID ha desarrollado una plataforma inversora de tracción de SiC y un diseño de referencia para superar estas dificultades y acelerar la comercialización de módulos de potencia de SiC robustos y fiables (Figura 1). Los fabricantes de accionamientos pueden utilizarlos para construir sistemas capaces de funcionar con tensiones de la batería de hasta 850V. El hardware es modular y adaptable a diseños con varios niveles de potencia.
Figura 1. Diseño de referencia del inversor de SiC de alta tensión de CISSOID.
El diseño de referencia resuelve aspectos del inversor que son difíciles y suelen requerir mucho tiempo. Entre sus principales componentes se encuentran un módulo inteligente de potencia (IPM) trifásico de 1200V integrado con un driver de puerta optimizado para aplicaciones de SiC y diseñado para resistir temperaturas elevadas (Figura 2). El driver suministra una corriente máxima superior a 10A y puede funcionar con una temperatura ambiente de hasta 125°C.
Figura 2. El módulo inteligente de potencia (Intelligent Power Module, IPM) está constituido por una etapa de potencia de SiC con refrigeración en las aletas de las patillas y el driver de puerta instalado en la parte superior [2].
Como el driver de puerta de SiC está integrado con el módulo de potencia, los usuarios pueden iniciar sus proyectos con una solución que ya ha sido validada y optimizada para una rápida velocidad de conmutación y bajas pérdidas, es inmune a los efectos de los altos niveles de dI/dt y dV/dt, e incluye protecciones robustas para las etapas de potencia. Como resultado de todo ello, disminuye de manera significativa el número de iteraciones necesarias para ajustar con precisión el rendimiento del módulo y garantizar la adecuada gestión térmica. El hardware del diseño de referencia también incluye sensores de corriente CC y corriente de fase, filtrado de EMI, un pequeño refrigerador líquido y un condensador de enlace CC de alta densidad. Estos condensadores han sido especialmente desarrollados para la plataforma del inversor y ofrecen un amplio rango de tensiones y corrientes.
Control y calibración del software
Para completar el diseño de referencia existe también una tarjeta de control de motor eléctrico con un procesador y software específicos para la aplicación, ambos precertificados según la norma ISO 26262, ASIL nivel D para seguridad funcional. El software de control del motor permite efectuar numerosos ajustes sin afectar a la certificación de la seguridad funcional, proporcionan así flexibilidad para optimizar el funcionamiento del motor según las necesidades de la aplicación final. Los usuarios pueden ejecutar su propio software de aplicación por encima de éste.
La tarjeta de control se basa en la unidad de control programable en campo (FPCU) Silicon Mobility OLEA® T222. Esto permite que el diseño de referencia sume la flexibilidad basada en software de un procesador convencional a la aceleración del hardware con el fin de garantizar el rendimiento tiempo real hasta la máxima velocidad deseada del motor. Al incorporar la tarjeta de control, el diseño de referencia también ayuda a los usuarios a evitar los problemas de integración mecánica y eléctrica que suelen surgir al conectar la tarjeta de control y el módulo inteligente de potencia.
OLEA® APP INVERTER es un software de control flexible y totalmente personalizable (Figura 3) que se adapta a cualquier tipo de propulsión eléctrica y a cualquier rango de potencia gracias a un conjunto de parámetros de configuración y calibración que se pueden modificar sin conexión o en tiempo real. El software también se suministra con un entorno de depuración y calibración que incluye una interfaz gráfica.
Figura 3. El software de control OLEA® APP INVERTER proporciona numerosas funciones para regular y optimizar el funcionamiento del motor.
Gracias a OLEA® COMPOSER, los desarrolladores pueden acortar el tiempo necesario para optimizar el software de control del motor (ver recuadro para más información sobre el proceso de cuatro pasos para llevarlo a cabo).
Rendimiento del inversor de SiC
Tras configurar los parámetros se puede comprobar el motor y asignar la eficiencia del conjunto inversor-motor. Las Figuras 4a y 4b comparan el rendimiento del inversor basado en SiC con un inversor basado en un IGBT comprobado bajo unas condiciones similares en tiempo real.
Figura 4a. Rendimiento del inversor de SiC hasta 260kW a 13500rpm que muestra la eficiencia en todo el rango de velocidad y par.
Figura 4b. El inversor basado en silicio de hasta 120kW a 11500rpm tiene una capacidad de par deficiente (ver puntos de cruce) bajo unas condiciones comparables.
Estos gráficos de rendimiento muestran cómo la superior eficiencia del accionamiento basado en SiC garantiza una mejor experiencia del usuario. Ante el aumento de la demanda de velocidad y carga, el par del motor se ve reducido significativamente por su menor eficiencia cuando funciona con un accionamiento basado en IGBT; el calor generado por las pérdidas de energía en el propio dispositivo no se puede disipar sin aumentar fuertemente la refrigeración. En cambio, el accionamiento de alta eficiencia basado en SiC se puede acercar al par máximo en un rango mucho más amplio de velocidad y carga.
Configuración y calibración del accionamiento
El paquete de herramientas OLEA® COMPOSER ayuda al usuario a que el motor gire de acuerdo con las especificaciones del cliente y facilita la calibración de parámetros como tensión, potencia nominal, velocidad y par con el fin de lograr el rango de funcionamiento óptimo. Una vez finalizado se puede asignar la eficiencia del inversor-motor.
El ajuste y la calibración se realizan en cuatro pasos:
Paso 1: Configuración de los parámetros de software
• Configuración del software OLEA® APP INVERTER de acuerdo con los parámetros del motor eléctrico.
Paso 2: Ajuste del hardware del inversor
• Ajuste del motor eléctrico, incluidos componentes como el resolver y los sensores de temperatura. La conexión de la unidad de control electrónico (ECU) del vehículo eléctrico y las interfaces de banco (p.ej., CAN, seguridad), potencia y refrigeración.
• Comprobación de las interfaces de seguridad del inversor con el banco de prueba.
Paso 3: Calibración del sistema de control del motor
• Modo de lazo abierto: calibración de las cadenas de acondicionamiento de señal del sensor de corriente y tensión con la FPCU OLEA® T222.
• Modo de lazo abierto parcial: calibración del offset del sensor de posición, tanto si utiliza resolvers o sensores inductivos.
• Modo de lazo cerrado de corriente: ajuste mediante controlador PI de los vectores ID e IQ para control orientado a campo (FOC).
• Modo de control de par: ajuste fino del lazo de control de par con el fin de mejorar la precisión y la respuesta dinámica.
• Modo de lazo cerrado de velocidad: calibración del regulador de velocidad.
Paso 4: Optimización avanzada del sistema
• Selección de la frecuencia de conmutación: ajuste de la frecuencia de conmutación dependiendo de la velocidad y las corrientes de fase.
• Compensación de tiempo muerto: ajuste del algoritmo de compensación de tiempo muerto para minimizar los armónicos de la corriente de fase.
• Disminución del flujo: optimización de los puntos de ajuste de ID/IQ para un funcionamiento eficiente en la región de par máximo por tensión (MTPV).
• SVPWM/DPWM: definición del umbral entre la modulación SVPWM (space vector pulse-width modulation) y DPWM (discontinuous pulse-width modulation) para ofrecer una mayor eficiencia a alta velocidad.
Este método permite ajustar el diseño de referencia para alcanzar una eficiencia superior al 99% con un bus de 700V hasta 4000rpm como se ve a continuación:
Conclusión
Autobuses, camiones y vehículos agrícolas representan una buena oportunidad para la electrificación y la reducción de las emisiones que perjudican el medio ambiente. La tecnología de potencia basada en carburo de silicio puede ayudar a maximizar la fiabilidad y la vida útil del vehículo, además de ofrecer una mayor eficiencia si se compara con los IGBT o MOSFET de silicio. La complejidad del diseño con SiC y la necesidad de agilizar el plazo de comercialización exigen una plataforma de desarrollo flexible para ayudar a los diseñadores a cumplir los objetivos para varios tipos y categorías de vehículos. Un completo diseño de referencia que ofrece soluciones a los principales retos al diseñar con SiC, además de aportar flexibilidad y escalabilidad para abarcar diferentes potencias y tensiones de la batería en vehículos pequeños y grandes, minimiza de manera efectiva los riesgos del diseño y acelera el plazo de comercialización.
Referencias
[1] Fuente: NESTE: Towards sustainable mobility / April 2023: https://journeytozerostories.neste.com/transportation/towards-sustainable-mobility#885e75ed
[2] CISSOID SiC Intelligent Power Modules: https://www.cissoid.com/sic-power-modules/
Acerca de Cissoid - www.cissoid.com
CISSOID es un líder en soluciones de semiconductores de potencia que suministra módulos de conmutación de potencia de alta corriente multifase, sistemas para control de motores y software en un amplio rango de potencias. Nuestras soluciones abarcan desde sistemas en chip hasta diseños de referencia de inversores completos basados en carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) y destinados a un creciente número de aplicaciones de electromovilidad y alta potencia. Nuestro liderazgo y nuestros conocimientos sobre semiconductores para temperaturas extremadamente altas, soluciones de alta fiabilidad y encapsulados nos permiten abordar los retos que supone el aumento cada vez mayor de la densidad de potencia en diversos mercados.
Autor: Pierre Delatte, CTO, CISSOID
