En el proyecto EnerConnect, los investigadores de Fraunhofer IZM están probando transistores de nitruro de galio (GaN) de bloqueo bidireccional para diseñar un sistema que podría usarse con la próxima generación de convertidores y rectificadores activos.El hardware innovador elimina la necesidad de una etapa de conversión separada y puede lograr una eficiencia récord del 99 %.

Cargandovehículos eléctricosen la comodidad del propio garaje es posible... en teoría.En comparación con los cargadores rápidos comerciales, sigue siendo una opción ineficiente: cuando la corriente alterna que proviene del enchufe doméstico se convierte en la corriente continua que necesita el coche eléctrico, se pierde una cantidad considerable de energía en la transición.Incluso las modernas cajas de empotrar que poseen muchos propietarios de vehículos eléctricos no resuelven por completo ese problema fundamental.

Como parte del proyecto EnerConnect, los científicos del Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración IZM y la Universidad Técnica de Berlín se han asociado con sus socios industriales Delta Electronics Inc., BIT GmbH e Infineon Technologies AG para producir un sistema con bloqueo bidireccional innovador.Transistores GaN.

Estos transistores aportan beneficios sustanciales en términos de densidad de potencia y eficiencia y prometen hacer que la carga de vehículos eléctricos desde enchufes domésticos comunes sea mucho más efectiva.

¿Cómo funcionan los transistores GaN bidireccionales?

Los rectificadores activos como los que se utilizan en los vehículos eléctricos ya utilizan las capacidades del nitruro de galio (GaN) ocarburo de silicio(SiC), que pueden manejar frecuencias de conmutación más altas en hardware pasivo más pequeño y más barato.Sin embargo, los sistemas actuales podían bloquear el voltaje en una sola dirección, a diferencia de los transistores GaN bidireccionales.Estos tienen dos estructuras de compuerta para manejar voltajes positivos y negativos, lo que hace que la nueva arquitectura de conmutación sea particularmente atractiva para convertidores y rectificadores utilizados en la red pública.

La topología de circuito especial en la que están trabajando los investigadores nunca ha desempeñado un papel importante en la electrónica de potencia, ya que con componentes convencionales habría sido demasiado compleja.El sistema se llama convertidor reductor-elevador y puede funcionar con voltajes de entrada más altos o más bajos.El truco está en los transistores de bloqueo bidireccionales, que pueden aprovechar todos los beneficios de este diseño.

La práctica actual para los vehículos eléctricos es tener rectificadores activos que funcionen a altos voltajes.El nuevo circuito en el que se está trabajando actualmente en Fraunhofer IZM permitiría reducir el voltaje, lo que a su vez reduciría las pérdidas de conmutación en el transistor.

El sistema también permite incluir una etapa de conversión: normalmente, un rectificador necesita dos componentes separados para que el voltaje de entrada aumente primero y luego se reduzca hasta el voltaje objetivo de la batería.El uso de transistores GaN de bloqueo bidireccional significa que estos dos pasos se pueden simplificar en una sola etapa de conversión, lo que nuevamente mejora la eficiencia al evitar material innecesario y reducir el costo del sistema.

Transistores más eficientes no limitados a los vehículos eléctricos

Ambos efectos significan que la eficiencia de los transistores aumenta hasta cerca del 99%, mientras que con la nueva arquitectura también son posibles mayores frecuencias de conmutación y una mayor densidad de potencia.Los investigadores están trabajando para alcanzar una frecuencia de conmutación objetivo de 300 kHz, lo que permitiría aumentar la densidad de potencia hasta 15 kW por litro, un 800 % más que los cargadores actualmente en el mercado.

La tecnología parece hecha a medida para su uso en vehículos eléctricos, ya que los convertidores se instalan a bordo de los vehículos y deben ser lo más pequeños posible.Uno de los objetivos del proyecto EnerConnect es optimizar el circuito para su uso con la red pública para permitir la carga rápida de coches eléctricos incluso desde enchufes domésticos habituales.

La topología del circuito permite que la electricidad se mueva en ambas direcciones, lo que los convierte en una opción perfecta para la idea de utilizar baterías de automóviles como almacenamiento de electricidad y para su uso en sistemas fotovoltaicos.

Está previsto que el proyecto EnerConnect se ejecute del 1 de febrero de 2024 al 31 de enero de 2028 en el Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración y la Universidad Técnica de Berlín.

Proporcionado porFraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM