L’IMB-CNM desenvolupa components electrònics de potència innovadors per a millorar les prestacions dels vehicles elèctrics

_{Prototip de cel·la de commutació desenvolupada en el projecte SCAPE amb la tècnica de chip-embedding, poden observar-se els tubs del sistema de refrigeració líquida. Crèdit: Sabela Rey Cao.}

L'Institut de Microelectrònica de Barcelona del CSIC (IMB-CNM-CSIC) ha desenvolupat el prototip d'una nova cel·la de commutació per a vehicle elèctric, que permetrà adaptar i controlar els fluxos de potència entre les fonts d'energia i les seves càrregues d'un mode més eficient, com entre la bateria i el motor. El projecte SCAPE, finançat pel Programa Horitzó Europa de la Unió Europea, reuneix nou institucions de recerca i empreses de cinc països europeus amb l'objectiu de desenvolupar nous components electrònics modulars i escalables per al tren motriu dels futurs vehicles elèctrics.

La transició cap a models de mobilitat i transport elèctrics, més sostenibles i menys contaminants, és una de les prioritats de la recerca europea. Per a afavorir-la, SCAPE (Switching-cell-array-based power electronics conversion for future electric vehicles) se centra en proposar i validar un disseny i una arquitectura nous per al tren motriu dels vehicles elèctrics, que serveixi des de motocicletes a camions. Una de les vies per a aconseguir-ho és el disseny modular i estandarizable de convertidors de potència.

“Proposem una estructura de cel·la de commutació totalment nova, modular, escalable i compacta, implementada amb tecnologia de chip-embedding. Amb ella, els xips dels dispositius semiconductors de potència s'integren dins de les plaques de circuit imprès o PCBs del convertidor, en lloc de soldar-se externament com s'ha fet fins ara en les tecnologies convencionals. Això proporciona una major miniaturització i un millor rendiment”, comenta Xavier Jordà, investigador principal de l’IMB-CNM en el projecte i membre del Grup de Dispositius i Sistemes de Potència (PDS).

“La combinació de diverses d'aquestes cel·les, a mode de peces de LEGO, facilitarà la implementació dels circuits electrònics necessaris per a la tracció de tota mena de vehicles elèctrics”, agrega. Aquest concepte de components modulars estandarditzats permetrà una fabricació a escala, generant menys processos diferents i donant lloc a components més econòmics. 

Electrònica de potència més eficient, robusta i sostenible

Per a aconseguir introduir els xips de potència dins de l'estructura de les plaques, ha estat necessari desenvolupar nous processos d'interconnexió dels mateixos a la Sala Blanca de Micro i Nanofabricació de l'IMB-CNM-CSIC, que compta amb el segell d'Infraestructura Científica i Tècnica Singular (ICTS), atorgat pel Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats. 

“S'ha desenvolupat una tècnica que permet el dipòsit de capes de coure de diverses micres sobre els elèctrodes superiors dels transistors MOSFET de carbur de silici emprats en el projecte, i s'ha estudiat i optimitzat el procés d'unió de la cara inferior dels xips per mitjà de nous materials composts de micro i nanopartícules de plata”, apunta Emma Solà, investigadora predoctoral de l’IMB-CNM en el projecte. El material proporciona així millors prestacions que els aliatges de soldadura emprades fins a la data. A més, afegeix Solà, “permet evitar l'ús de plom, un metall que pot presentar problemes de toxicitat”.

Un altre repte en aquesta mena de circuits és la miniaturització, és a dir, que permeti manejar elevats nivells de tensió, corrent i potència en un espai molt reduït. “El disseny de l'estructura de les cel·les de commutació és un procés crític que requereix considerar un gran nombre d'aspectes elèctrics, tèrmics, mecànics, etc.”, explica Mariana Raya, investigadora predoctoral de l’IMB-CNM en el grup PDS i autora del disseny dels prototips desenvolupats en SCAPE.

Raya comenta que, per a aconseguir uns dissenys òptims, “ha estat necessari posar a punt una metodologia de simulació multifísica fiable (elèctrica, tèrmica, mecànica i electro-magnètica), que permeti estudiar la resposta dels prototips abans de la seva fabricació i corregir el disseny fins a obtenir les prestacions òptimes desitjades. Els resultats experimentals que hem obtingut amb els primers prototips han validat aquesta aproximació, en el rang real de funcionament de les cel·les de commutació fins a 400V de tensió i 50A de corrent”. 

En electrònica, un altre desafiament de la recerca actual és la fiabilitat dels dispositius. “Obtenir una elevada robustesa i durabilitat dels components desenvolupats és essencial, no sols per a garantir un funcionament fiable del vehicle elèctric final, sinó també per a reduir al màxim els residus electrònics que s'originarien per la fallada de la circuiteria”, diu Xavier Perpiñà, investigador del grup PDS de l’IMB-CNM que participa en el projecte.

Les tecnologies desenvolupades han posicionat a l’IMB-CNM i al CSIC en una situació privilegiada a nivell europeu per al desenvolupament de sistemes electrònics de potència d'alta densitat d'integració, tant per a aplicacions de mobilitat elèctrica com d'electrificació industrial. L'electrificació de processos industrials basats en combustibles fòssils per altres basats en energia elèctrica d'origen renovable és una de les eines disponibles per a aconseguir els objectius de descarbonització de la societat. És també una de les àrees temàtiques d'actuació contemplades en la Plataforma Tecnològica Interdisciplinària TRANSENER del CSIC, en la qual participa l'institut.

Un consorci d'excel·lència internacional

SCAPE, amb finançament fins a 2026, va celebrar la reunió de meitat de projecte el juliol passat en les instal·lacions de l'IMB-CNM-CSIC. En el desenvolupament de les cel·les, s'ha treballat en estreta col·laboració amb el Grup de Recerca en Electrònica de Potència (GREP) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), artífex dels esquemes electrònics, amb l'empresa francesa DeepConcept, responsable dels subsistemes de refrigeració, i amb l'alemanya Schweizer Electronic AG, fabricadora de circuits impresos avançats. El projecte és coordinat per l'Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) i també inclou les companyies TEKNE i AVL, així com la Universitat de Modena i Reggio Emília (Unimore).

• Principal: Prototip de cel·la de commutació desenvolupada en el projecte SCAPE amb la tècnica de chip-embedding, poden observar-se els tubs del sistema de refrigeració líquida. Crèdit: Sabela Rey Cao.
• Secció transversal de les switching-cells de SCAPE on es poden veure els xips dels components dins les plaques PCB.
• Un xip de 5x5 mm² amb dues zones metal·litzades amb 10 µm de coure llest per a ser inclòs dins de l'estructura multicapa del circuit imprès.
• Circuit convertidor de test amb dues cel·les de commutació interconnectades.
• Foto de grup dels membres de SCAPE en la reunió celebrada a l'IMB-CNM al juliol de 2024.