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Conmutación en sistemas eléctricos de vehículos

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Ralf Hickl, Product Sales Manager de la Automotive Business Unit de Rutronik Artículo escrito por Ralf Hickl, Product Sales Manager de la Automotive Business Unit de Rutronik sobre el uso de semiconductores en conmutación y protección de sistemas eléctricos de vehículos.

Cada vez más elementos de los sistemas eléctricos se conmutan usando semiconductores. Los conmutadores (switches) basados en semiconductores ofrecen beneficios en comparación con los conmutadores electromecánicos en forma de menor desgaste por uso (sin impacto mecánico, pueden resistir más ciclos de conmutación), funcionalidad de diagnóstico y, a diferencia de los contactos mecánicos, ausencia de chispas en circuitos abiertos en proceso de carga.

Esto se convierte en un problema, al menos con los sistemas eléctricos de 48 V o los vehículos comerciales de gran longitud, que supone un incremento de inductancia parásita.

Una vez que se establece la función de conmutación, se pueden usar sensores para activar la función de diagnóstico y la protección de sobrecarga con el objetivo de salvaguardar los cables y los elementos de consumo de corriente y acortar el tiempo de respuesta en caso de fallo. Los mecanismos de protección de circuitos electrónicos también aportan ventajas adicionales, al contrario de lo que sucede con fusibles desechables, la protección ante sobrecarga en sistemas eléctricos de vehículos se puede repetir ya que los switches semiconductores se salvaguardan adecuadamente.

Después del disparo, el mecanismo de protección electrónico se diagnostica mediante el bus de herramienta sin necesidad de otras herramientas ni reinicio. La medida del consumo de corriente en cada parte del circuito permite verificar el estado del conmutador de los dispositivos en consumo consumer. Después, el relé y la caja de fusibles del vehículo se lleva al límite a través del medidor inteligente con todas sus características.

Conmutación en sistemas eléctricos de vehículos
Diagrama de bloques de circuito de un multi-switch electrónico

El diagrama de bloques de circuito mostrado de un multi-switch electrónico muestra los conmutadores en tres flujos de corriente. Un high-side switch que se dispara en el flujo superior, un MOSFET integrado en el del medio y un low-side switch protegido en la línea de masa. Un microcontrolador ofrece la conexión de bus y permite que las señales de diagnóstico se procesen y los switches se disparen.

Para corrientes de circuito inferiores, se utilizan los high-side & low-side switches inteligentes y protegidos, también conocidos como Dispositivos de Alimentación Inteligentes – Intelligent Power Devices (IPD). Estos componentes compactos integran el elemento de conmutación, un MOSFET canal n, así como un driver para la puerta y funciones de diagnóstico y protección en un mismo encapsulado. El sistema de diagnóstico identifica, por ejemplo, una rotura de cable en la salida (detección de carga abierta). La función de protección, por su parte, puede reaccionar ante sobrecalentamiento, sobrecarga y sobretensión.

Los modelos comunes se emplean para conmutar un flujo de energía unidireccional. Las cargas típicas abarcan desde bombillas a elementos de calefacción para asientos, ventanas y espejos retrovisores.

Lista de fabricantes y series de semiconductores para sistemas eléctricos de vehículos

Fabricante HS switch / IPD LS switch / IPD MOSFETs Controlador de puerta
Diodes
12 V: IntelliFET DMNH, DMTH 12 V: ZXGD300x
Infineon 12, 24, 48 V: PROFET 12 V, 24 V: HITFET OptiMOS AUIRS2xxx
Renesas 12 V: Hope, RAJ28xxx NP series, ANL3
ROHM 12 V: BV1Hxxx 12 V: BV1Lxxx RSJxxx HV: BM6104
STM 12 V: VIPower M0-7

24 V: VIPower M0-5T

12 V: OMNIFET III STripFET-F7 HV: STGAP1AS
Toshiba 12 V: TPD10xx 12 V: TPD10xx UMOS IX-H, UMOS VIII-H 12 V: TPD710x

Con el desarrollo de MOSFET de potencia y tecnologías de encapsulado, estos componentes son cada vez más potentes. En este sentido, la gama PowerPROFET de Infineon de resistencias “on” con valores inferiores a 1 mΩ tienen una posición de liderazgo entre los switches high-side. Los conmutadores protegidos en diseño con múltiples canales en un mismo encapsulado ayudan a ahorrar espacio en placa. Gracias a la compatibilidad en pines con los modelos de 12 y 24 V, los modelos PowerPROFET aportan mejoras en flexibilidad. Los componentes con diferente número de canales en un encapsulado encajan en la misma posición en la tarjeta, lo que proporciona nuevas oportunidades de diseño de circuito.

La tecnología de encapsulado avanzada no es la única razón para echar un vistazo a la serie VIPower M0-7/5T de STMicroelectronics. La mayoría de estos productos se basan en la tecnología de proceso planar de ST. Renesas también se encuentra en la línea de salida con su nueva serie Hope, cuya nomenclatura empieza por RAJ28.

Existen otros criterios de selección de sistemas eléctricos de vehículos importantes

  • La reacción ante caída de tensión, que determina cómo funciona cuando el voltaje cae a un pulso especificado de acuerdo a LV124, ISO 7637-2 Pulso 4 e ISO 16750-2. Estos estándares describen la tensión y el tiempo que debe permanecer cerrado el switch en caso de subvoltaje (en términos prácticos, cómo responde durante un arranque frío). Con un relé de estado sólido para el estárter, resulta útil una mínima tensión, ya que la energía residual de la batería se encuentra totalmente disponible para el proceso de arranque.
  • La reacción tras un cierre por sobrecarga. Es posible un reinicio automático, un reinicio por pin o una combinación de ambos.

Los switches low-side tienen menos demanda que las versiones high-side. Los fabricantes y las series aparecen en la tabla.

Los IPD comercializados explícitamente para los nuevos sistemas eléctricos de 48 V son escasos. Ya estamos viendo tipos que se dirigen a los sistemas de 24 V y algunos otros especificados para uso con el sistema de 42 V (obsoleto), como BTS6163 y BTS50085 de Infineon. Otros componentes todavía se encuentran en fase de desarrollo.

Si los switches integrados no satisfacen las especificaciones de rendimiento requeridas, como rango de tensión, corriente máxima o pérdida de potencia, la única alternativa es una solución discreta.

Siga leyendo en Alternativas discretas para conmutación en vehículos

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