Desarrollan nuevos circuitos electrónicos de potencia mejoran las prestaciones de los vehículos eléctricos

Un equipo del Instituto de Microelectrónica de Barcelona del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IMB-CNM-CSIC) ha desarrollado el prototipo de una nueva celda de conmutación para vehículo eléctrico que permitirá adaptar y controlar los flujos de potencia entre las fuentes de energía y sus cargas de un modo más eficiente, como entre la batería y el motor.

La investigación se enmarca dentro del proyecto Scape (oficialmente, 'Conversión de electrónica de potencia basada en matrices de celdas de conmutación para futuros vehículos eléctricos'), que quiere proponer y validar un diseño y una arquitectura novedosos para el tren motriz de los vehículos eléctricos, que sirva desde motocicletas a camiones. Tal y como ha explicado el CSIC, una de las vías para conseguirlo es el diseño modular y estandarizable de convertidores de potencia.

Xavier Jordà, investigador principal del IMB-CNM en el proyecto y miembro del Grupo de Dispositivos y Sistemas de Potencia, (PDS) ha explicado que su prototipo es una estructura de celda de conmutación "totalmente novedosa, modular, escalable y compacta, implementada con tecnología de chip-embedding". Con ella, los 'chips' de los dispositivos semiconductores de potencia se integran dentro de las placas de circuito impreso o PCB del convertidor en lugar de soldarse de forma externa como se ha venido haciendo hasta ahora en las tecnologías convencionales. De acuerdo con Jordà, esto proporciona una mayor miniaturización y un mejor rendimiento.

Los circuitos electrónicos en los eléctricos

Emma Solà, investigadora predoctoral del IMB-CNM en el proyecto, ha detallado el desarrollo de la técnica que los investigadores han utilizado para conseguir introducir los chips de potencia dentro de la estructura de las placas. Ésta permite el depósito de capas de cobre de varias micras sobre los electrodos superiores de los transistores MOSFET de carburo de silicio empleados en el proyecto.

A su vez, ha incidido en cómo se ha estudiado "y optimizado" el proceso de unión de la cara inferior de los chips por medio de nuevos materiales compuestos de micro y nanopartículas de plata. Al parecer, estos compuestos proporcionan mejores prestaciones que las aleaciones de soldadura empleadas hasta la fecha y permiten evitar el uso de plomo, un metal que puede presentar problemas de toxicidad.

Mariana Raya, investigadora predoctoral del IMB-CNM en el grupo PDS y autora del diseño de los prototipos desarrollados en Scape, ha señalado que para conseguir unos diseños óptimos para el prototipo ha sido necesario poner a punto una metodología de simulación multifísica fiable (eléctrica, térmica, mecánica y electro-magnética) que ha permitido estudiar la respuesta de los prototipos antes de su fabricación y corregir el diseño.

El proyecto está financiado por el Programa Horizonte Europa de la Unión Europea (UE) y reúne a un total de nueve instituciones de investigación y empresas de cinco países europeos. En el desarrollo de las celdas, se ha trabajado en estrecha colaboración con el Grupo de Investigación en Electrónica de Potencia (GREP) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), artífice de los esquemas electrónicos, con la empresa francesa DeepConcept, responsable de los subsistemas de refrigeración, y con la alemana Schweizer Electronic AG, fabricante de circuitos impresos avanzados.

El proyecto es coordinado por el Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) y también incluye las compañías del sector de la automoción TEKNE y AVL, así como la Universidad de Modena y Reggio Emilia (Unimore).