Los fabricantes y los consumidores están tratando de dejar atrás la dependencia de los combustibles fósiles, por lo que las soluciones de electrificación gozan de gran popularidad. Esto es importante para proteger el medio ambiente, limitar la contaminación y frenar la tendencia destructiva del calentamiento global. Los vehículos eléctricos (VE) son cada vez más comunes en todo el mundo, y numerosas empresas están incursionando en la conversión de vehículos comerciales y agrícolas (VCA) para que sean impulsados por electricidad.

Sin embargo, esta transición está provocando un rápido crecimiento en la demanda de energía eléctrica, lo que ejerce una gran presión sobre la red eléctrica. A pesar de su alta eficiencia, aplicaciones como los vehículos eléctricos, los centros de datos y las bombas de calor aún requieren grandes cantidades de energía para funcionar.

Nuevas fuentes de energía renovable como la solar, eólica y undimotriz son ampliamente aceptadas y se están convirtiendo gradualmente en la corriente principal. Solo las aplicaciones que utilizan exclusivamente energía renovable pueden considerarse verdaderamente "limpias".

El mercado de la energía solar ha estado desarrollándose durante muchos años y es relativamente maduro. Según un informe de Fortune Business Insights, el tamaño actual del mercado solar se estima en 273 mil millones de dólares y se espera que crezca hasta los 436 mil millones de dólares para 2032. En 2023, el mercado solar de América del Norte representó más del 40%.

Desafíos de conversión de potencia en aplicaciones de energía renovable

La generación de energía solar está creciendo rápidamente. Según datos de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), en 2022 la electricidad generada por energía solar aumentó un 26% con respecto al año anterior, alcanzando los 1300 TWh. Esto marca que la energía solar ha superado a la eólica, convirtiéndose en la mayor fuente de electricidad renovable.

Los paneles solares fotovoltaicos (FV) generan corriente continua (CC), mientras que la red eléctrica requiere corriente alterna (CA), por lo que los inversores fotovoltaicos centrales son una parte indispensable de las instalaciones conectadas a la red a gran escala. Toda la energía generada por los paneles solares pasa a través del inversor, por lo que la eficiencia del inversor tiene un impacto significativo. Aunque la energía solar es inagotable, una baja eficiencia de conversión puede limitar la cantidad de energía entregada a la red. La energía desperdiciada en el proceso se convierte en calor, lo que plantea un desafío severo, ya que muchas instalaciones solares suelen estar ubicadas en entornos soleados y de altas temperaturas, como los desiertos.

El costo también es un factor muy importante, ya que afecta directamente las facturas de electricidad de los consumidores y la rentabilidad de las empresas de servicios públicos. Para lograr una mayor potencia, muchos inversores centrales utilizan múltiples módulos de conversión en paralelo, cuyo número depende de la potencia nominal de cada módulo. Cuanto mayor sea la capacidad de potencia de cada módulo, menos módulos se necesitarán, lo que puede reducir los costos.

Aunque los vehículos eléctricos han avanzado considerablemente, los VCA aún progresan lentamente en su transición hacia la propulsión eléctrica. Los VCA son de mayor tamaño, consumen más combustible y generan más emisiones por viaje. Aunque representan solo el 2% del total de vehículos, sus emisiones de gases de efecto invernadero constituyen el 28% del total de emisiones del transporte. Si bien la electrificación de vehículos comerciales de pasajeros (como autobuses) ya ha mostrado resultados iniciales, la mayoría de los camiones grandes, maquinaria de construcción y vehículos agrícolas (como tractores) todavía dependen del diésel. Ahora, la situación está empezando a cambiar. Para cumplir con las estrictas regulaciones de emisiones cero en mercados globales como la UE, China y California (EE. UU.), se espera que para 2030, las ventas de camiones eléctricos (puramente eléctricos e híbridos) aumenten del 5% actual al 40-50%.

En comparación con los vehículos comerciales de combustibles fósiles, los vehículos comerciales eléctricos tienen una estructura más simple y menos piezas móviles. Con la misma capacidad de carga, los vehículos eléctricos son más pequeños, más fiables y tienen costos de mantenimiento más bajos. Actualmente, con la reducción significativa de los costos de las baterías, el costo total de propiedad de los VCA eléctricos ya es inferior al de los vehículos con motor de combustión interna (MCI).

Al igual que en las aplicaciones solares, la eficiencia es un requisito clave para los VCA eléctricos. La capacidad de la batería de cada vehículo es limitada; cuanto mayor sea la eficiencia del proceso de conversión en el inversor, mayor será la distancia que el vehículo puede recorrer, o se necesitará menos electricidad para recorrer la misma distancia.

Dada nuestra futura dependencia de la energía solar y los VCA eléctricos, la fiabilidad se vuelve naturalmente muy importante.

Tecnología de potencia avanzada para aplicaciones con inversores

En aplicaciones de alta potencia, como los inversores solares fotovoltaicos trifásicos, el convertidor de punto neutro activo de tres niveles (ANPC) es una topología común. Esta topología multinivel está diseñada específicamente para mejorar el rendimiento y la eficiencia del sistema.

Un convertidor de punto neutro (NPC) normal utiliza diodos para conectar el punto neutro del capacitor del enlace de CC a la salida. En la configuración ANPC (Figura 1), el enclavamiento se realiza mediante interruptores, lo que permite un mejor control, reduce las pérdidas de conmutación y mejora la eficiencia, y en consecuencia reduce la necesidad de disipación de calor, contribuyendo así a soluciones más pequeñas y de menor costo.

La disposición de la topología reduce la tensión sobre cada interruptor, mejorando así la fiabilidad. Además, el ANPC permite formas de onda favorables para la red eléctrica.

Figura 1: Un convertidor ANPC se puede construir fácilmente con módulos

Los ingenieros de diseño pueden crear módulos de punto neutro activo de tres niveles de alto rendimiento conectando en paralelo múltiples módulos de potencia, como los módulos IGBT QDual 3 de onsemi, logrando una potencia de salida del sistema de 1,6 MW a 1,8 MW.

Figura 2: Módulo IGBT QDual3

El módulo QDual 3 integra la próxima generación de tecnología IGBT de corte de campo 7 (FS7) de 1200 V y diodos, ofreciendo un rendimiento superior para aplicaciones de alta potencia. En comparación con generaciones anteriores, la tecnología FS7 mejora significativamente las pérdidas de conducción.

Figura 3: La tecnología FS7 mejora los parámetros clave de rendimiento

En el proceso IGBT FS7, la mesa estrecha de la trinchera proporciona un bajo VCE(SAT) y alta densidad de potencia, mientras que la inyección de protones con múltiples capas de amortiguación garantiza robustez y características de conmutación suave (Figura 2). Los dispositivos FS7 de velocidad media de onsemi tienen un VCE(SAT) tan bajo como 1,65 V, adecuados para aplicaciones de control de movimiento; mientras que sus productos FS7 rápidos tienen un EOFF de solo 57 µJ/A, lo que los hace ideales para aplicaciones de alta potencia como inversores solares y VCA.

Figura 4: Los IGBT FS7 son más pequeños y ofrecen mayor densidad de potencia

La innovadora tecnología FS7 permite que el tamaño del chip en los nuevos módulos QDual3 se reduzca un 30% en comparación con la generación anterior (Figura 3). Esta miniaturización, combinada con un empaquetado avanzado, puede aumentar significativamente la corriente nominal máxima. En aplicaciones de control de motor con temperaturas de funcionamiento de hasta 150 °C, la potencia de salida del QDual3 es de 100 kW a 340 kW, aproximadamente un 12% más alta que la de otros productos actualmente en el mercado.

La fiabilidad es clave en aplicaciones solares y de VCA, por lo que la forma en que se construyen y prueban los módulos es crucial. Por ejemplo, mientras muchas soluciones similares utilizan uniones por hilos (wire bonding) para fijar los terminales, onsemi opta por la soldadura ultrasónica de los módulos. Este último método ayuda a mejorar la capacidad de transporte de corriente, proporciona una mejor ruta de disipación térmica y es más robusto que el primero (Figura 4).

Figura 5: La soldadura ultrasónica reduce la temperatura y mejora la fiabilidad

Este método aumenta la conductividad eléctrica, reduciendo así las pérdidas de energía y mejorando la eficiencia. Además, reduce la temperatura de funcionamiento, aumenta la rigidez mecánica y mejora la fiabilidad general del módulo.

Nueva tecnología QDual3 de alta potencia de onsemi

El módulo IGBT de medio puente QDual 3 especializado NXH800H120L7QDSG es adecuado para inversores solares centrales, sistemas de almacenamiento de energía (ESS) y fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS); mientras que el SNXH800H120L7QDSG es adecuado para VCA. Ambos dispositivos se basan en la tecnología FS7, con mejoras en VCE(SAT) y EOFF, lo que reduce las pérdidas y aumenta la eficiencia energética.

Actualmente, si se utiliza un módulo IGBT de 600 A para diseñar un inversor de 1,725 MW en configuración ANPC/INPC, se necesitarían 36 módulos en total. Sin embargo, utilizando los nuevos NXH800H120L7QDSG y SNXH800H120L7QDSG con corriente de funcionamiento nominal de 800 A, el número de módulos necesarios se reduciría en 9. En consecuencia, el tamaño, peso y costo del diseño se reducen en un 25%. Esto es muy valioso tanto para aplicaciones solares como para VCA, ya que la reducción de peso y el aumento de eficiencia permiten aumentar la autonomía del vehículo.

Figura 6: Una mayor capacidad de corriente permite construir sistemas con menos módulos

Estos módulos incluyen una placa base aislada para la gestión térmica y un termistor NTC integrado, y admiten la instalación directa en la PCB mediante pines soldables, con un diseño de formato estándar de la industria que facilita la actualización de diseños existentes a la nueva tecnología QDual3.

Todos los módulos QDual3 de onsemi se someten a rigurosas pruebas de fiabilidad, superando a otros dispositivos similares en el mercado. Nuestra prueba de humedad requiere que los productos soporten 960 V de polarización durante hasta 2000 horas, mientras que dispositivos similares solo requieren soportar 80 V de polarización durante 1000 horas. Las pruebas de vibración son cruciales para aplicaciones de VCA; nuestros productos se prueban a 30 G pico / 10 G RMS durante 22 horas, cumpliendo con los requisitos AQG324. Otros dispositivos se prueban en condiciones de vibración tan bajas como 5 G durante tan solo 1 hora.

Conclusión

El uso de energías renovables en todo el mundo es cada vez mayor, y la red eléctrica está bajo una gran presión. La generación de energía solar ha madurado y, en 2022, superó a la eólica, convirtiéndose en la principal fuente de electricidad renovable.

Aunque los vehículos impulsados por combustibles fósiles siguen siendo la principal fuente de contaminación, la electrificación de los VCA avanza de manera constante y ya está mostrando resultados.

Nuevas tecnologías de semiconductores como la FS7 de onsemi permiten el desarrollo de dispositivos de alta potencia y bajas pérdidas para satisfacer las necesidades de eficiencia y fiabilidad en estos campos. Basándose en esta tecnología, los nuevos dispositivos QDual3 de onsemi ofrecen una alta densidad de potencia y una excelente eficiencia en un paquete compacto. Los terminales bien soldados y las pruebas de certificación superiores a las de otros dispositivos de la industria garantizan un rendimiento robusto de los dispositivos QDual3.

Los módulos de nueva generación NXH800H120L7QDSG y SNXH800H120L7QDSG, con una capacidad de corriente de hasta 800 A, permiten reducir en un 25% el número de módulos necesarios para el diseño del inversor, lo que simplifica aún más el diseño y reduce su tamaño, peso y costo.

Sin duda, se trata de un avance significativo. onsemi continuará investigando a fondo el potencial de alto rendimiento de la tecnología FS7, esforzándose por lanzar más módulos que superen los estándares existentes, para satisfacer la creciente demanda de la industria solar y los fabricantes de VCA.