¿Qué es un Módulo de Potencia?
Un módulo de potencia es un producto en el que los circuitos relacionados con la fuente de alimentación se integran en un único encapsulado combinando varios semiconductores de potencia.
Cuando se combinan las funciones necesarias en un CI (circuito integrado semiconductor) y optimizando el diseño de bajo consumo, los módulos de potencia pueden utilizarse en una amplia gama de campos, como los equipos industriales utilizados en fábricas, grandes electrodomésticos, automóviles, ferrocarriles y nuevas fuentes de energía. El mercado de módulos de potencia sigue creciendo rápidamente.
Aplicaciones de los Módulos de Potencia
El ejemplo más conocido de módulo de potencia es el inversor de los aparatos de aire acondicionado, frigoríficos y lavadoras. Estos inversores pueden controlar el número de revoluciones del motor convirtiendo la frecuencia.
Al cambiar libremente el número de revoluciones del motor, se puede reducir el movimiento innecesario, lo que contribuye al ahorro de energía. Por el contrario, los aparatos de aire acondicionado sin inversores sólo pueden encender y apagar el motor, lo que provoca la repetición de movimientos extremos, como poner en marcha y parar el aparato, con el consiguiente derroche de energía.
Los inversores se utilizan para controlar la velocidad del motor y también se emplean en vehículos eléctricos como los HEV y los EV. Es importante que la propulsión de un vehículo no sólo sea on/off, sino que también detecte y controle el ralentí de los neumáticos.
Sin este control, el vehículo patinará. En zonas nevadas, la potencia debe aplicarse a los neumáticos de forma segura y eficiente, por lo que un control muy preciso de la potencia del motor es importante e indispensable, especialmente en VE y HEV.
Principio del Módulo de Potencia
Los módulos de potencia constan de una serie de transistores de potencia optimizados para la aplicación de alimentación para la que se necesitan en un circuito integrado junto con un circuito de accionamiento de polarización, y se modularizan junto con los componentes circundantes para mejorar la tensión soportada y la velocidad y eficiencia de conmutación durante el funcionamiento de la potencia. Otra característica de este producto es su facilidad de uso, teniendo en cuenta la disipación de calor del encapsulado y el sustrato.
Entre los semiconductores de potencia ampliamente utilizados en los módulos de potencia, los transistores de potencia tienen la gama más amplia de aplicaciones y actualmente son el centro de un desarrollo tecnológico activo, principalmente por parte de los fabricantes de semiconductores y materiales. Dentro de los transistores de potencia, existen varios dispositivos semiconductores, entre los que se incluyen.
1. Transistores Bipolares
Los transistores bipolares tienen una estructura sencilla y pueden manejar grandes cantidades de potencia, pero tienen las desventajas de una velocidad de conmutación lenta y un consumo de energía elevado, por lo que recientemente han perdido protagonismo en las aplicaciones de módulos de potencia.
2. MOSFET de Potencia
Los MOSFET de potencia (FET: transistores de efecto de campo) tienen la ventaja de ofrecer las velocidades de conmutación más rápidas y un bajo consumo de energía, pero también tienen la desventaja de no poder manejar grandes cantidades de potencia.
3. IGBT
Desarrollados en los años 80, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) pueden manejar grandes cantidades de potencia. En comparación con los MOSFET, son capaces de conmutar cantidades no mucho mayores que éstos. La configuración del circuito es una combinación de un MOSFET y un BJT (transistor de unión bipolar).
Más Información sobre los Módulos de Potencia
1. Tendencias en los Módulos de Potencia de Nueva Generación
Los MOSFET de SiC han atraído recientemente la atención como dispositivos para módulos de potencia de próxima generación, ya que los sustratos de SiC tienen una mayor energía de banda prohibida y una mayor tensión de ruptura que los sustratos de Si, lo que permite aumentar la potencia de los MOSFET utilizando sustratos de SiC.
Los IGBT también pueden manejar altas potencias en sustratos de Si, pero la estructura bipolar dificulta el aumento de la velocidad de conmutación, y los SiC-MOSFET, que son dispositivos de alta potencia y conmutación rápida, se consideran actualmente la principal opción para los módulos de potencia de próxima generación.
La debilidad de los sustratos de SiC en la producción en masa, que antes era un punto débil de los sustratos de SiC, se está superando ahora, en parte debido a la aparición de fabricantes de sustratos capaces de manejar sustratos de 6 pulgadas como resultado de las innovaciones tecnológicas.
2. Módulos de Potencia en los Vehículos Eléctricos
El voltaje de la batería de iones de litio de un VE está relacionado con el tiempo de carga, por lo que el objetivo es acortar el tiempo de carga mediante la carga a alta velocidad y mejorar la eficiencia del tren motriz, que equivale al motor en un VE.
Para mejorar la eficiencia de la cadena cinemática, ahora se requiere un mayor aumento de la tensión desde el nivel actual de unos 400 V hasta, por ejemplo, 800 V.
Al manejar los motores de alta tensión de los vehículos con una buena capacidad de control, es importante conmutar la corriente alterna generada por el circuito inversor a alta velocidad, y para ello se utilizan dispositivos y módulos de potencia.