Os MOSFETs e IGBTs tradicionais à base de silício, que têm sido continuamente desenvolvidos e melhorados ao longo dos anos, demonstram as suas limitações em aplicações de potência que exigem frequências de comutação mais elevadas, maior capacidade de dissipação de calor e peso e tamanho reduzidos.
O carboneto de silício (SiC) é um semicondutor de banda larga que supera as limitações da tecnologia de silício, operando a tensões, frequências e temperaturas mais elevadas sem sofrer danos. Mais de 10 anos após o seu lançamento no mercado, o SiC atingiu um nível de maturidade e fiabilidade que permite a sua utilização nas aplicações de potência mais críticas, como a automóvel, energia renovável, data centers e aeroespacial.

Microchip
Technology, fornecedor líder de semicondutores para soluções de controlo embarcadas, inteligentes, conectadas e seguras, oferece o portfólio mais amplo e flexível do setor de díodos Schottky (SBDs), MOSFETs e drivers de porta digitais configuráveis ​​em formatos de chip nu, discretos e módulos de potência (Figura 1). A Microchip também pode personalizar os módulos de potência para satisfazer os requisitos específicos de aplicação do cliente.

Com mais de duas décadas de experiência no design e desenvolvimento de SiC, as soluções de SiC da Microchip oferecem desempenho, robustez e fiabilidade de ponta, permitindo aos projetistas reduzir os custos de desenvolvimento e o tempo de lançamento no mercado. A Microchip também oferece alguns dos melhores prazos de entrega de SiC do setor, possibilitados por uma abordagem de aquisição de wafers epitaxiais de múltiplas fontes e instalações de fabrico de SiC duplas, proporcionando aos clientes segurança de fornecimento.
A robustez dos MOSFETs de SiC da Microchip é melhorada por um design preciso que garante uma maior capacidade de comutação indutiva não bloqueante (UIS) repetitiva, eliminando a necessidade de um circuito snubber para proteger o MOSFET de SiC contra surtos de tensão de avalanche. Quando a corrente num indutor é interrompida abruptamente, o campo magnético induz uma força eletromotriz (FEM) inversa que pode gerar tensões muito elevadas no próprio MOSFET. Assim sendo, um elevado grau de robustez é essencial para os dispositivos de potência, aqui definido como a capacidade de suportar a degradação do MOSFET de SiC quando submetido a UIS (interrupção abrupta de curto-circuito); caso contrário, são necessários componentes adicionais para proteger o MOSFET de SiC contra surtos de avalanche. Além de oferecerem dispositivos resistentes a UIS, os MOSFETs de SiC da Microchip proporcionam um desempenho de curto-circuito semelhante ao dos IGBTs para lidar com segurança com transitórios inesperados do sistema.
Para satisfazer as exigências das aplicações de potência que utilizam elevadas frequências de comutação e elevadas tensões de funcionamento para aumentar a eficiência e reduzir o peso e o tamanho da solução (como transporte eletrificado, energia renovável, aeroespacial e aplicações industriais), a Microchip lançou recentemente MOSFETs de SiC de 3,3 kV, com a menor resistência de comutação (RDS(on)) do setor (tão baixa como 25 mΩ), e díodos Schottky de SiC (SBDs), com a maior corrente nominal do setor (90 A).
Embora os IGBT de 3,3 kV sejam atualmente utilizados em diversas aplicações, as suas velocidades de comutação são limitadas, resultando em elevadas perdas de comutação e sistemas de grande dimensão. Em contrapartida, a utilização de MOSFETs de SiC de 3,3 kV permite aos projetistas reduzir as perdas, o tamanho e o peso, além de simplificar sistemas multinível em projetos simples de dois níveis. Ambos os dispositivos estão disponíveis em formato de chip ou encapsulamento.

SiC: Vantagens e Aplicações
Comparadas com os dispositivos de potência de Si tradicionais, como os MOSFETs e IGBTs, as soluções de SiC da Microchip oferecem as seguintes vantagens principais:
- Maior temperatura de junção e melhor refrigeração; menor RDS(on) e maior eficiência;
- Condutividade térmica 3 vezes superior, resultando numa maior densidade de potência e maior capacidade de corrente;
- Velocidade de saturação de eletrões 2 vezes superior, resultando numa comutação mais rápida e num tamanho reduzido (além disso, a maior frequência de comutação permite a utilização de ímanes, transformadores, filtros e componentes passivos mais pequenos, reduzindo a área ocupada pela solução);
- Menores perdas de comutação
; - Taxa de falha por suscetibilidade a neutrões 10 vezes inferior aos IGBTs comparáveis ​​em tensões nominais;
- Indutância parasita extremamente baixa.

Os dispositivos de SiC também podem ser combinados com outros produtos da Microchip, como microcontroladores, circuitos integrados de gestão de energia, sensores analógicos, transceptores sem fios e controladores de toque e gestos, para criar soluções completas a custos reduzidos.
Os mercados e aplicações típicos para os produtos de SiC da Microchip incluem:
- Transporte: A elevada robustez e a tensão de funcionamento dos dispositivos de SiC são essenciais para a criação de inversores e conversores de tensão eficientes, bem como de dispositivos de proteção, utilizados em veículos elétricos (automóveis, autocarros, camiões, comboios, navios, eVTOLs e aviões) e infraestruturas de carregamento.
- Industrial: A elevada frequência de comutação, as baixas perdas e a excelente gestão térmica tornam os dispositivos de SiC ideais para aplicações como o controlo de motores, fontes de alimentação comutada, sistemas UPS, soldadura e aquecimento por indução.
- Energia renovável: Os inversores baseados em SiC podem ser utilizados em aplicações fotovoltaicas e turbinas eólicas para reduzir as perdas de energia e aumentar a eficiência.
- Medicina: Os equipamentos de diagnóstico, como as máquinas de ressonância magnética e raios X, requerem fontes de alimentação fiáveis, robustas e eficientes.
- Aeroespacial e Defesa: As propriedades do SiC permitem que as fontes de alimentação baseadas neste material operem a altas tensões e temperaturas sem danos. O portefólio de produtos de SiC da Microchip inclui as famílias BL1, BL2 e BL3 de módulos de alimentação sem base, que foram submetidos a múltiplos testes de validação de acordo com a norma RTCA DO-160G e já estão qualificados para aplicações aeroespaciais, incluindo drones de carga e de grande porte.

A comparação de como o RDS(on) varia com a temperatura no Si e no SiC é bastante significativa. Nos MOSFET de Si, a dependência da temperatura de RDS(on) (apresentada na Figura 2) não varia com a tensão nominal do dispositivo, uma vez que a mobilidade dos eletrões nos MOSFET de Si é dominada pela dispersão térmica. Na gama de temperaturas entre 25 °C e 150 °C, o RDS(on) aumenta numa proporção de aproximadamente 2,7 para 1.

Figura 2: RDS(on) versus temperatura no MOSFET de Si

Na Figura 3, no entanto, podemos observar o mesmo tipo de curva para um dispositivo SiC de 1200 V da família Microchip. Neste caso, no intervalo de temperaturas de 25 °C a 175 °C, o RDS(on) varia tipicamente entre 1,5 e 1,8. Portanto, em comparação com a curva anterior, é quase plana.

Figura 3: RDS(on) versus temperatura num dispositivo SiC de 1200 V

Drivers de Gate Digitais Programáveis
​​Para lidar com os desafios críticos que podem surgir ao trabalhar com dispositivos de potência SiC e IGBT a frequências de comutação mais elevadas, a Microchip concebeu a família AgileSwitch® de drivers de gate digitais configuráveis. Especificamente, os MOSFETs de SiC devem ser controlados ajustando corretamente os parâmetros de controlo de gate. Caso contrário, picos de desligamento, ruído, interferência eletromagnética e DSAT podem causar danos permanentes no dispositivo.
Os drivers AgileSwitch permitem aos designers controlar, monitorizar e proteger aplicações baseadas em SiC com tecnologia de comutação melhorada, fornecendo até sete notificações de falhas e proteção para uma operação segura e fiável. A Microchip oferece uma linha completa de placas adaptadoras de módulos e núcleos de drivers de gate, juntamente com as suas placas de drivers de gate plug-and-play para satisfazer uma vasta gama de módulos de potência SiC.

A Figura 4 mostra um núcleo de driver de gate de canal duplo AgileSwitch SiC para módulos SiC de 1200 V. Estes núcleos de driver de gate, que incorporam a tecnologia de controlo Augmented Switching, apresentam uma proteção robusta contra curto-circuitos e são totalmente configuráveis ​​através de software, incluindo tensões de alimentação de gate de ±Vgs. Uma vez que os dispositivos SiC podem suportar curtos-circuitos durante um período muito curto (aproximadamente 2–3 µs), é essencial adotar parâmetros de proteção contra curto-circuitos adequados para o driver de gate.

Figura 4: Núcleo de driver de porta digital configurável de dois canais para SiC de 1200 V

Ao contrário dos drivers de gate analógicos convencionais, estes drivers de gate digitais podem comutar até 200 kHz e são totalmente configuráveis ​​por software. Previnem falsos alarmes e mitigam ruídos, interferências eletromagnéticas (EMI), sobretensão e subtensão nos módulos de potência SiC e IGBT. Ligado à placa adaptadora do módulo, o núcleo do driver de gate digital permite aos designers avaliar rapidamente o módulo e o driver de gate, reduzindo o tempo de lançamento no mercado.
O driver de gate apresentado na Figura 4 fornece até 10 A de corrente de pico e inclui um conversor CC/CC isolado (com tensão de saída configurável) e uma barreira de isolamento de baixa capacitância para sinais PWM e feedback de falhas. A Ferramenta de Configuração Inteligente (ICT) é uma interface gráfica do utilizador (GUI) que permite aos utilizadores configurar rapidamente os parâmetros relevantes do controlador de gate sem ter de alterar o hardware. As funções configuráveis ​​incluem o aumento da potência de comutação ao ligar e desligar, tensões de porta ±Vgs (Vgs positivo de 15 V a 21 V, Vgs negativo de -5 V a 0 V), bloqueio por subtensão e sobretensão da fonte de alimentação, definições de deteção de dessaturação, tempo morto, bloqueio por falha e definições de reinicialização.

Kits e ferramentas de desenvolvimento:
O portfólio de produtos SiC da Microchip é suportado por uma vasta seleção de modelos SPICE SiC compatíveis com os módulos do simulador analógico MPLAB® Mindi e projetos de referência de placas de driver. Além disso, a Ferramenta de Configuração Inteligente (ICT) permite aos designers definir parâmetros relevantes para o driver de gate SiC da família AgileSwitch de drivers de gate digitais configuráveis ​​da Microchip. A interface ICT (ver Figura 5) permite aos projetistas configurar vários parâmetros do driver de gate, incluindo perfis de comutação de gate, monitores críticos do sistema e definições da interface do driver. Os novos dispositivos podem ser caracterizados de forma rápida e fácil, alterando as definições do driver em laboratório ou no terreno, sem necessidade de soldadura. O resultado é um gate driver personalizado e otimizado para satisfazer os requisitos da aplicação sem qualquer alteração de hardware. Para acelerar ainda mais o tempo de lançamento no mercado, os Kits de Desenvolvimento Acelerado ASDAK (sem módulo SiC) e ASDAK+ (com módulo SiC) incluem os componentes de hardware e software necessários para otimizar o desempenho dos módulos SiC e dos sistemas de energia, podendo poupar três a seis meses de tempo de desenvolvimento em novos projetos.

Figura 5: Captura de ecrã da ferramenta de configuração inteligente

AUTOR: Perry Schugart, Engenheiro Técnico - Marketing de Produto, Microchip Technology