Fraunhofer IZM eleva los inversores de SiC a un nuevo nivel de rendimiento
Los inversores son componentes centrales en las transmisiones eléctricas. Controlan el flujo de energía entre la batería y el motor, determinando la eficiencia y el rendimiento. Dirigido por Wiljan Vermeer, el grupo de Sistemas Electrónicos de Potencia del Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración (IZM) se ha centrado intensamente en este componente clave. El último proyecto fue encargado por Mitsubishi Heavy Industries (MHI), un conglomerado japonés con más de 300 filiales dedicadas principalmente a la industria pesada, la ingeniería mecánica y de vehículos, la aviación y el sector electrónico. En el sector de la electromovilidad, Mitsubishi Heavy Industries Thermal Transport Europe GmbH, con sede en Osnabrück, es un nombre muy conocido.
Según Fraunhofer IZM, su trabajo ha supuesto un avance fundamental en la tecnología de los inversores. El resultado es un inversor novedoso y rentable que suministra 500 kilovatios de potencia en un volumen de sólo un litro y alcanza una eficiencia del 99% gracias a su inductancia extremadamente baja. Según los desarrolladores, esto ha sido posible gracias a ‘cuatro trucos’ que confieren al inversor su ventaja.
El primer truco implica doce semiconductores SiC por módulo de potencia integrado. Este módulo se instala en el inversor por triplicado, uno para cada fase. Los investigadores afirman que los módulos están desacoplados del condensador de enlace de CC mediante un amortiguador RC (“para reducir las oscilaciones no deseadas y aumentar la velocidad de conmutación”) y están equipados con doce interruptores de carburo de silicio. Se trata de MOSFET especificados por el socio y cliente, MHI, y están incrustados directamente en la placa de circuito impreso para ahorrar espacio. “El resultado final son módulos muy compactos con una huella electromagnética extremadamente pequeña. Su inductancia efectiva es de sólo un nanohenrio, lo suficientemente baja como para no limitar la velocidad de conmutación y permitir la conmutación al límite de los MOSFET, con 63 voltios por nanosegundo. Una conmutación más rápida significa menores pérdidas, lo que a su vez reduce la necesidad de refrigeración’, explicó Fraunhofer IZM.
El segundo aspecto clave son los refrigeradores de aluminio extruido. Debajo de los tres módulos se encuentra un refrigerador plano de aluminio. Su diseño de perfil bajo no sólo ahorra un espacio considerable, sino que también permite un recorrido térmico corto desde el semiconductor hasta el refrigerante, afirman los expertos. En su interior, más de 40 aletas finas y ligeramente onduladas proporcionan al refrigerante que fluye una superficie de contacto suficiente para el intercambio de calor. “El aluminio ofrece la ventaja de un bajo coste de material y una producción muy rentable mediante el proceso de extrusión: Todo el disipador de calor se fabrica en un solo paso, un diseño que ahorra espacio y dinero”, comenta el equipo.
La tercera innovación es la soldadura láser como técnica de conexión. “Los contactos de las barras colectoras se formaron justo para que pudiéramos soldarlos con láser directamente a la placa de circuito. Eso significa que pudimos deshacernos de tornillos que no sólo ocuparían un valioso espacio, sino que también aumentarían la inductancia”, explica el jefe del proyecto, Wiljan Vermeer. La integración vertical de las dos barras colectoras de entrada también permite colocarlas lo suficientemente cerca la una de la otra para que sus campos casi se anulen mutuamente, lo que minimiza aún más la inductancia.
El cuarto truco de diseño está relacionado con la tecnología y la disposición de los condensadores del enlace de CC, que amortiguan la potencia de los módulos. En colaboración con la empresa PolyCharge, sus condensadores NanoLam se configuraron específicamente para este fin, y “se dispusieron lado a lado con las barras colectoras, de modo que el enlace de CC alcanza una inductancia total de sólo dos nanohenrios a pesar de una capacidad de 300 microfaradios”, según el equipo de investigación. La nanotecnología de los condensadores permite una densidad de potencia muy elevada, pero también se traduce en un aumento de las pérdidas térmicas, otro reto para el sistema de refrigeración.
“Elegimos contactos de cobre por su mejor disipación del calor”, dice Vermeer. “Nuestro sistema se diseñó para que las conexiones eléctricas equilibraran la peor distribución del calor, repartiéndolo por igual tanto horizontal como verticalmente. Los condensadores pueden soportar una temperatura máxima de 150 grados centígrados, pero los limitamos a 130 grados en aras de la fiabilidad.” Según los estándares convencionales, sigue siendo un valor muy elevado. El exceso de calor se transfiere por un camino corto al refrigerador de aluminio descrito anteriormente, que también disipa el calor de los módulos de potencia, añaden los expertos. Para conseguirlo, la unidad de condensadores se coloca debajo del refrigerador de aluminio y se integra dentro de la carcasa, lo que reduce aún más el espacio necesario.
El equipo está convencido: “Con su combinación de electrónica de potencia, condensadores y sistemas de refrigeración innovadores, el inversor lleva la tecnología de accionamiento de 800 voltios a un nuevo nivel”. Con 500 kilovatios, multiplica por cinco muchas de las alternativas actuales y por dos veces y media la tecnología punta anterior. La eficiencia del 99% también establece un nuevo punto de referencia, y con unos costes de producción comparativamente moderados.
Wiljan Vermeer presentará el nuevo inversor al público en la feria PCIM Europe de Núremberg, del 9 al 11 de junio de 2026, en el stand de Fraunhofer IZM (pabellón 6, stand 440).
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