Autores:
Kumar V. Mahtani Mahtani
Profesor Ayudante Doctor en el Departamento de Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial, Universidad Politécnica de Madrid.
Amit Kumar Sharma
Investigador en Indian Institute of Technology Delhi, India.
En la actualidad, el sector del transporte está viviendo una transformación radical, impulsada por la creciente demanda de soluciones más limpias y sostenibles. A medida que los vehículos con motores de combustión interna ceden paso a los vehículos eléctricos e híbridos, se requiere de soluciones tecnológicas que mejoren la eficiencia energética y reduzcan el impacto ambiental. Este cambio es especialmente evidente en aplicaciones de transporte como vehículos eléctricos, ferroviarios y aeronáuticos, donde la electrónica de potencia juega un papel fundamental. En concreto hablaremos de transistores MOSFET. Aquí, los semiconductores de banda prohibida ancha (WBG), como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), están revolucionando el panorama de la conversión de energía, mejorando la eficiencia, el tamaño y el peso de los sistemas eléctricos.
Propiedades y ventajas de los semiconductores WBG
Los materiales WBG tienen propiedades que los hacen particularmente atractivos para aplicaciones de alta potencia, como las utilizadas en vehículos eléctricos y sistemas de transporte. Comparados con el silicio (Si), los semiconductores WBG como el SiC y el GaN poseen una banda prohibida más ancha, lo que les permite soportar mayores tensiones y temperaturas sin degradarse. El SiC, por ejemplo, tiene una banda prohibida de 3.2 eV, frente a los 1.1 eV del silicio, y su capacidad para soportar mayores tensiones eléctricas lo hace ideal para aplicaciones que requieren de alta fiabilidad en condiciones extremas.
Estas características permiten que los dispositivos basados en SiC y GaN operen a frecuencias de conmutación más altas, lo que a su vez reduce las pérdidas de energía y mejora la eficiencia global del sistema. Además, estos materiales soportan temperaturas de operación más elevadas, lo que les permite funcionar de manera más eficiente sin necesidad de sistemas de refrigeración complejos, reduciendo tanto el peso como el tamaño de los sistemas eléctricos. Este último punto es crucial, ya que en muchas aplicaciones de transporte, especialmente en vehículos eléctricos y ferroviarios, el tamaño y el peso de la electrónica de potencia son factores determinantes.
Aplicaciones en vehículos eléctricos e híbridos
En los vehículos eléctricos e híbridos, la electrónica de potencia tiene un papel fundamental en la conversión de energía para el motor y otros sistemas auxiliares. El inversor de tracción, por ejemplo, convierte la energía de la batería en corriente alterna para alimentar el motor eléctrico. En este caso, el SiC es la opción preferida para inversores de alta tensión, debido a su capacidad para manejar grandes cantidades de energía con menores pérdidas y a su mejor capacidad para operar a temperaturas elevadas. Esto no solo mejora la eficiencia del sistema, sino que también reduce el tamaño y el peso del inversor, lo que es crucial para maximizar la autonomía de los vehículos eléctricos.
Inversor de tracción de vehículos eléctricos (vista de los elementos de potencia). Fuente: Qorvo.
Además, los cargadores de a bordo (OBC) y los convertidores de corriente continua (CC/CC) son componentes clave que también se benefician del uso de semiconductores WBG. Los OBC convierten la corriente alterna de la red eléctrica en corriente continua para cargar las baterías de los vehículos. Con dispositivos de GaN, la frecuencia de conmutación es mucho más alta, lo que permite reducir las pérdidas de conducción y minimizar el tamaño del sistema, a la vez que mejora la velocidad de carga. Por otro lado, los convertidores de CC/CC de baja tensión, que convierten la energía de la batería a 12 V o 48 V para alimentar los sistemas auxiliares del vehículo, también se benefician de la alta frecuencia de conmutación de estos materiales, lo que reduce aún más el tamaño y el peso de los componentes.
Aplicaciones ferroviarias
En el ámbito ferroviario, la electrónica de potencia es igualmente crítica para la conversión de energía, tanto para el accionamiento de los trenes como para los sistemas auxiliares. Los trenes eléctricos dependen de la conversión de energía en sistemas de tracción, que deben ser altamente eficientes para reducir el consumo de energía y mejorar la fiabilidad operativa. Tradicionalmente, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) basados en silicio se han utilizado para estos fines, pero los dispositivos de SiC están empezando a reemplazarlos debido a sus mayores capacidades de conmutación y a su mejor gestión térmica.
Los inversores de tracción y auxiliares en trenes requieren operar a alta frecuencia para mejorar la densidad de potencia, reducir las pérdidas y aumentar la eficiencia general del sistema. Con dispositivos basados en SiC, las pérdidas de conmutación y conducción se reducen significativamente, lo que permite que los trenes operen con mayor eficiencia, disminuyendo el consumo de energía y mejorando el rendimiento del sistema de frenado regenerativo. Este tipo de frenado, que convierte la energía cinética de los trenes en energía eléctrica que se puede almacenar o devolver a la red, se ve beneficiado por la mejor gestión de la potencia que ofrecen los semiconductores WBG.
Además, el uso de estos materiales permite una mayor eficiencia en el sistema de refrigeración, dado que los dispositivos pueden operar a temperaturas más altas, lo que reduce la necesidad de grandes sistemas de enfriamiento. Esto, combinado con la alta frecuencia de conmutación, también permite reducir el peso y el volumen de los componentes de potencia, lo que es especialmente valioso en la industria ferroviaria.
Aplicaciones en el sector marítimo y aeronáutico
El sector marítimo también ha experimentado avances significativos gracias al uso de semiconductores de banda prohibida ancha. Los sistemas de propulsión eléctrica en barcos se benefician de la alta eficiencia de conversión de energía de los dispositivos de SiC y GaN, especialmente cuando se trata de sistemas que operan con energía de corriente continua (CC). Estos dispositivos permiten la reducción de tamaño y peso de los convertidores de potencia, lo que se traduce en menores requisitos de espacio y un aumento en la eficiencia del combustible.
En la aviación, la transición hacia sistemas de propulsión híbridos y totalmente eléctricos está impulsando la necesidad de dispositivos de potencia que puedan operar a altas frecuencias de conmutación para mejorar la eficiencia de los generadores y sistemas de conversión de energía. Los dispositivos de SiC están comenzando a reemplazar los basados en silicio debido a su capacidad para manejar tensiones y temperaturas mucho más altos, lo que es crucial para el funcionamiento de generadores y motores en aeronaves. Estos sistemas requieren dispositivos capaces de operar a frecuencias más altas, lo que permite el uso de componentes más pequeños y ligeros, mejorando así el rendimiento general del avión.
En conclusión, la electrónica de potencia está viviendo una verdadera revolución con la integración de semiconductores de banda prohibida ancha como el SiC y el GaN. Estas tecnologías no solo permiten la mejora de la eficiencia en una variedad de aplicaciones de transporte, sino que también contribuyen a la reducción de tamaño y peso de los sistemas, lo que es esencial para cumplir con las crecientes demandas de sostenibilidad y eficiencia energética. El uso de dispositivos de SiC y GaN está permitiendo la creación de vehículos más eficientes, trenes más confiables y barcos y aviones con una conversión de energía más efectiva. Esta transición hacia nuevos materiales semiconductores en la electrónica de potencia promete transformar el sector del transporte, no solo mejorando el rendimiento, sino también ofreciendo soluciones más ecológicas y eficientes para el futuro.
