Nuevos semiconductores de carburo de silicio aportan mejoras en la eficiencia de los EV

Después de pasar gran parte del siglo XX languideciendo en el infierno del desarrollo, los coches eléctricos han llegado finalmente a las carreteras a lo grande. Los fabricantes de automóviles están trabajando febrilmente para mejorar la autonomía y los tiempos de recarga para que los vehículos sean más apetecibles para los consumidores.

Con una sólida base de ventas y una mayor incertidumbre sobre el futuro de los combustibles fósiles, las mejoras se están produciendo a un ritmo rápido. A menudo, el cambio es gradual, pero de vez en cuando, una nueva tecnología promete traer un cambio de paso en el rendimiento. Los semiconductores de carburo de silicio (SiC) son una de estas tecnologías y ya han empezado a revolucionar la industria.


Mind The Bandgap

Un gráfico que muestra la relación entre la separación de la banda y la temperatura para varias fases del Carburo de Silicio.

Tradicionalmente, los vehículos eléctricos han dependido de transistores de potencia de silicio en su construcción. Habiendo sido durante mucho tiempo el material semiconductor más popular, los nuevos avances tecnológicos lo han abierto a la competencia. Los diferentes materiales semiconductores tienen propiedades variables que los hacen más adecuados para diversas aplicaciones, siendo el carburo de silicio especialmente atractivo para las aplicaciones de alta potencia. Todo se reduce a la brecha de la banda.

Los electrones de un semiconductor pueden estar en una de las dos bandas de energía: la banda de valencia o la banda conductora. Para saltar de la banda de valencia a la banda conductora, el electrón necesita alcanzar el nivel de energía de la banda conductora, saltando el espacio de la banda donde no pueden existir electrones. En el silicio, el espacio de la banda es de alrededor de 1-1,5 electrón-voltios (eV), mientras que en el carburo de silicio, el espacio de la banda del material es del orden de 2,3-3,3 eV. Esta mayor separación de la banda hace que el voltaje de ruptura de las piezas de carburo de silicio sea mucho mayor, ya que se requiere un campo eléctrico mucho más fuerte para superar la separación. Muchos coches eléctricos contemporáneos funcionan con baterías de 400 V, y Porsche equipa su Taycan con un sistema de 800 V. El alto voltaje de ruptura natural del carburo de silicio lo hace muy adecuado para trabajar en estas aplicaciones.


Todo se suma

Los beneficios del semiconductor con mayor abertura de banda fluyen también a otros factores de diseño. Gracias al mayor voltaje de ruptura y a la menor resistencia, a 1200 voltios, una pieza de SiC puede tener un tamaño de matriz 20 veces más pequeño que una pieza de silicio comparable. Este tamaño más pequeño ayuda a aumentar la velocidad de conmutación, reduciendo aún más las pérdidas que terminan en calor. Por si fuera poco, las piezas de carburo de silicio pueden soportar temperaturas de unión de hasta 200 C, por encima de los 150 C típicos de las piezas de silicio tradicionales.

Los avances en los procesos han permitido la producción de obleas de carburo de silicio de calidad adecuada para el uso de alta potencia.

Sin embargo, hasta hace poco, el carburo de silicio no era viable como tecnología de semiconductores, debido principalmente a problemas de producción. Gracias a los avances en las técnicas de fabricación, ahora es posible crear obleas mediante un proceso de crecimiento de un solo cristal, con rendimientos aceptables para una producción rentable.

Todas estas ganancias de rendimiento colocan la tecnología SiC en el asiento de la caja para revolucionar la tecnología de los vehículos eléctricos. ST Microelectronics da el ejemplo de un inversor de tracción, el hardware que toma la energía de la batería y acciona el motor de un EV. Capaces de manejar voltajes más altos en un paquete más pequeño, y capaces de manejar más calor, los semiconductores de SiC permiten que el dispositivo se reduzca en el orden del 70% y que tenga menores requerimientos de enfriamiento. Además, con la menor resistencia de encendido y de conmutación, se desperdicia menos energía en forma de calor, lo que permite que el vehículo sea más eficiente y siga avanzando con una sola carga.

La tecnología también tiene aplicaciones en el lado de la carga de las cosas. Las piezas de SiC prometen ofrecer cargadores más compactos, capaces de realizar una carga rápida con menos pérdidas. A medida que los vehículos eléctricos continúan proliferando, la demanda de cargadores rápidos se disparará, por lo que cualquier ganancia de espacio y eficiencia dará sus frutos. Después de todo, la electricidad que no se pierda en el proceso de carga no tiene que ser entregada a través de una red eléctrica ya agotada.


Mirando al mercado

El modelo 3 de Tesla cuenta con un inversor construido con tecnología de carburo de silicio, lo que aumenta la eficacia y reduce los requisitos de refrigeración.

Estos dispositivos ya han llegado al mercado a lo grande. El modelo 3 de Tesla fue uno de los primeros vehículos en la carretera en utilizar esta tecnología, con su inversor principal que contiene 24 módulos SiC MOSFET de ST Microelectronics. Es probable que, debido al aumento de la producción de su modelo para el mercado masivo, Tesla estuviera utilizando la gran mayoría de la producción de ST en 2018. Desde entonces, se ha instalado un hardware similar en los modelos de largo alcance de los modelos S y X, con inversores de carburo de silicio y otras mejoras que ayudan a aumentar la autonomía máxima del vehículo hasta 370 millas.

Otros fabricantes de automóviles se apresuran a subirse al carro, y la alianza Renault-Nissan-Mitsubishi también ha firmado un acuerdo para utilizar piezas de ST. Mientras tanto, Bosch también se está preparando para producir componentes en su nueva planta de Dresde. Actualmente no está claro dónde acabarán estas piezas, pero con la larga historia de Bosch como proveedor de automoción de primer nivel, es probable que tenga una importante base de clientes a su alcance.

Eventualmente la mayoría, si no todos, los vehículos eléctricos harán el cambio a la tecnología de carburo de silicio en los próximos años. Los vehículos que utilizan hardware de SiC tendrán la ventaja en el empaquetado, la eficiencia energética, el alcance y el rendimiento, y es poco probable que los vehículos que utilizan hardware de silicio tradicional sean capaces de competir eficazmente a medio plazo. Aunque las piezas de silicio seguirán teniendo un lugar en los subsistemas digitales y de bajo voltaje, es muy probable que el carburo de silicio tome las riendas de la electrónica de potencia del coche eléctrico en el futuro.

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