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Contactores de alta tensión en grado automoción

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Los contactores garantizan eficiencia y seguridad al desconectar la batería y el inversor de un vehículo eléctrico (HV) cuando el coche está apagado. Al arrancar, se debe limitar la corriente de carga en los condensadores de filtro y los contactores tienen que diseñarse para un flujo de corriente bidireccional. Con los contactos de conmutación electromecánicos, esto no es un problema, pero con los MOSFET hay que tener en cuenta algunas cosas.

Los condensadores de enlace DC se alimentan al poner en marcha el enlace DC de los convertidores de frecuencia. Esto provoca una sobre corriente de arranque que se debe limitar. Por ello, este artículo describe un concepto que utiliza conmutadores de alta tensión.

Dependiendo de la marca y el concepto, se está hablando de una tensión de hasta 1 KV para el enlace DC del inversor de tracción en un vehículo eléctrico o híbrido. En sus notas de aplicación y diseños de referencia, los fabricantes de IGBT o MOSFET de inversor de motor especifican capacidades de filtro de baja inductancia que hay que conectar en paralelo a los medio puentes (half-bridges) en la etapa de salida de potencia. Por ejemplo, Infineon, en su diseño de referencia para inversores de tracción “Hybrid Kit for HybridPack™1 power module – Kit Híbrido para el módulo de alimentación HybridPack™1”, recomienda un condensador de filtro especificado para 300 µF / 450 V. Cuando se carga a su tensión especificada, almacena unos 30 W de energía. Entre los fabricantes de condensadores de película para electrónica de potencia que cumplen estos requisitos se encuentran, por ejemplo, AVX, Rubycon y WIMA.

Desde el punto de vista de la eficiencia energética, la conexión eléctrica entre la batería HV y el inversor debería ser lo más corta y menos resistiva posible. Por motivos de seguridad, la batería y el inversor de tracción están aislados eléctricamente mediante contactores cuando el vehículo está apagado. Por lo tanto, hay que tomar medidas preventivas al poner en marcha los contactores con el objetivo de limitar la corriente de carga en el condensador de carga inicialmente descargado.

Para garantizar un frenado con una operación regenerativa en el inversor de tracción, los contactores principales se deben diseñar para un flujo de corriente bidireccional. A este respecto, es importante que la corriente pueda activarse y desactivarse en ambas direcciones. Este principio se cumple con contactos de conmutación electromecánicos, pero se requiere un gasto adicional al usar MOSFET como semiconductores de conmutación. La razón para esto es que, en paralelo a la vía de drenaje-fuente, se puede encontrar un diodo intrínseco parásito en el chip de estos componentes. El flujo de corriente mediante este diodo no se puede desconectar. En este caso, hay que conectar dos MOSFET consecutivos en serie para eliminar el flujo de corriente bidireccional. Sin embargo, uno solo es suficiente para IGBTs sin un diodo de recuperación rápida (FRD) integrado.

Tecnología de precarga de condensadores en enlaces DC

Los fabricantes de variadores de frecuencia industriales están familiarizados con este tema y han desarrollado varios métodos de carga de condensadores de enlace DC. Uno de ellos es la precarga a través de una resistencia de carga (Figura 1).

Contactores de alta tensión de grado automoción para motores eléctricos
Figura 1: Precarga de la capacidad de enlace con un reóstato

Un paso inicial sería conectar el relé 2 al camino libre de carga más bajo, mientras que, en un segundo paso, las capacidades de enlace DC se cargan a través del contactor de precarga. El sistema se limita a una determinada corriente por la resistencia de precarga. Y el contactor de precarga permanece cerrado hasta que el condensador está casi cargado totalmente y la tensión se sitúa por encima de un porcentaje establecido de la tensión especificada. En consecuencia, se activa el contactor principal 1. Y, como resultado, solo tiene que transmitir una corriente de arranque con mucha menos energía que en ausencia de precarga.

Este proceso de precarga puede durar unos cientos de milisegundos y asume que la carga es resistiva y el inversor se encuentra apagado. Si este no fuera el caso, el condensador no puede precargarse completamente, ya que la carga junto a la resistencia de precarga representa un divisor de tensión y, por ende, sólo una fracción de la caída de tensión a través del condensador.

Se recomienda tomar diversas medidas de monitorización y limitación por motivos de seguridad:

  • Limitar el tiempo de precarga. Esto evita el sobrecalentamiento de la resistencia de precarga, especialmente en caso de fallos de inversor que provocan una corriente de carga en el enlace DC.
  • Efectuar una monitorización de la temperatura de la resistencia de precarga con apagado en caso de subida excesiva. Esto protege a la resistencia en caso de repetidos esfuerzos de carga infructuosos.
  • Monitorizar la tensión de enlace DC mientras la precarga con conexión al relé principal alcanza un límite. Así se limita la subida de corriente de arranque, se protege el relé principal y se evita la activación de dispositivos de protección upstream.

Precarga del enlace DC con switches semiconductores

RGSxxTS65HDRROHM ofrece la serie RGSxxTS65HDR, la segunda generación de Field Stop Trench IGBT con FRD integrado para hasta 650 V (Tabla 1). Ya están disponibles muestras de modelos de hasta 1200 V.

Las propiedades de las unidades RGSxxTS65DHR incluyen:

  • Calificación AEC-Q101
  • Baja tensión de saturación colector-emisor VCE(sat)(type) de 1,65 V
  • Protección ante cortocircuito de, al menos, 8 µs
  • Bajas pérdidas de conmutación
  • Carga de puerta reducida
  • Encapsulado TO-247N
Modelo ICmax @ Tc=100 °C UCES Cies(type) @ VCE=30 V Pd
RGS60TS65DHR 30 A 650 V 980 pF 223 W
RGS80TS65DHR 40 A 650 V 1240 pF 272 W
RGS00TS65DHR 50 A 650 V 1570 pF 326 W

Para asegurar que la recuperación no se produce mediante la resistencia de carga, aparte de los IGBT con FRD integrado, se debe conectar en serie un diodo de potencia con el FRD.

MOSFET SiC de ROHM

ROHM MOSFET SiC Tras la adquisición de SiCrystal, ROHM, fabricante alemán de obleas de carburo de silicio (SiC), ha sido uno de los pocos proveedores globales en ofrecer este material básico desde el año 2010. Cada MOSFET producido con SiC se caracteriza por su:

  • Estabilidad de temperatura
  • Fuerza dieléctrica
  • Elevadas frecuencias de conmutación
  • Mínimas pérdidas de conmutación

ROHM suministra SiC-MOSFET para 650, 1200 y 1700 V y se encuentran en fase de desarrollo de su tercera generación de componentes. Muchos modelos de 1200 V de la segunda generación ya han recibido la calificación para uso en vehículos a motor, observe la Tabla 2:

Contactores de alta tensión de grado automoción para motores eléctricos Para garantizar que la recuperación no se produce mediante la resistencia de carga, los contactores de carga de semiconductores de un MOSFET deben incorporar adicionalmente un diodo de potencia en el camino de corriente.

Controladores de puerta de grado automoción aislados de ROHM para MOSFET e IGBT

Los conmutadores high-side n-Channel MOSFET o NPN IGBT requieren una tensión de control de puerta superior al voltaje positivo que conmutan. Los controladores de puerta aislados con una bomba de carga integrada o con convertidores boost proporcionan las tensiones correspondientes y la potencia para cargar y descargar la capacidad de fuente de puerta. Además, las funciones de protección se implementan con la respectiva salida de señal en el lado de la baja tensión. Son bastante comunes, por ejemplo, las medidas protectoras ante

  • Sobre corriente y desaturación
  • Efecto Miller
  • Aumento de temperatura

Otras ventajas abarcan tiempos cortos de producción de señal y desconexión suave. Un ejemplo de esto se encuentra en el controlador de puerta aislado complejo BM6104 de ROHM. Este controlador de puerta mono canal para MOSFET e IGBT ofrece una fuerza de aislamiento de 2500 Vrms y un tiempo reducido de transición de 150 ns con una duración de pulso mínima de 90 ns y está calificado según el estándar AEC-Q100.

Figura 2: Controlador de puerta BM6104 de ROHM, diagrama de circuito típico con protección contra desaturación de los IGBT en caso de sobrecarga

Conclusión sobre los contactores de alta tensión

Al precargar los condensadores de enlace DC de un inversor con enlace DC a través de un a resistencia, al menos, el contactor de precarga se podría diseñar como una versión de semiconductor sin deterioro. Los IGBT, MOSFET y controladores de puerta de ROHM proporcionan la solución ideal para este fin.

Ralf HicklUwe RahnArtículo escrito por Ralf Hickl, Product Sales Manager de la Automotive Business Unit y Uwe Rahn, director de la Automotive Business Unit en Rutronik.

 

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