Nos últimos anos, temos observado a adoção de semicondutores de banda larga, como o carboneto de silício (SiC), nos inversores de veículos elétricos para substituir os transístores bipolares de porta isolada de silício (IGBTs de silício). A utilização de SiC permite que os módulos de potência tenham uma maior densidade e operem a temperaturas mais elevadas, abrindo novas oportunidades de gestão térmica e de materiais para a eletrónica de potência dos veículos.
A transição para o SiC
Apesar do aumento do custo dos transístores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs) de silício (SiC), a sua penetração no mercado dos veículos elétricos tem sido considerável. De acordo com uma pesquisa da IDTechEx, em 2020, os inversores MOSFET de SiC representavam quase 30% do mercado global de veículos elétricos. A Tesla iniciou esta tendência em 2018, e outros fabricantes de automóveis, como a BYD, já têm veículos com esta tecnologia em circulação. Gigantes como a Stellantis e a Hyundai estão a incluir a electrónica de potência do SiC nos modelos de entrada de gama para viabilizar as suas plataformas de alta tensão (800V).
Desafios da gestão térmica
A eletrónica de potência em veículos elétricos apresenta desafios de gestão térmica interessantes, e a adoção do SiC altera vários aspetos do design de módulos e encapsulamentos, para além da seleção de materiais. Num encapsulamento tradicional de eletrónica de potência, ocorrem vários pontos de falha potenciais com a ciclagem térmica. À medida que o encapsulamento aquece e arrefece, a diferença na expansão térmica entre os materiais provoca a degradação de várias ligações, incluindo emendas de fios, junções do chip e junções do substrato. Nos encapsulamentos de SiC, a densidade de potência e a temperatura de funcionamento podem ser significativamente aumentadas, o que significa que algumas opções tradicionais já não são adequadas.
Atualmente, as uniões de fios de alumínio são a tecnologia de interligação dominante; no entanto, representam um ponto comum de falha. Isto levou ao aumento da utilização de emendas de fios com ligas de alumínio, cobre ou mesmo ligação direta de chumbo. Os materiais utilizados para ligar os arranjos também são críticos. Normalmente, isto é feito com soldadura tradicional, mas a temperaturas de funcionamento mais elevadas (especialmente com SiC), a soldadura SAC (estanho-prata-cobre) padrão pode ser pouco fiável, levando ao surgimento de alternativas como a sinterização de prata para oferecer um desempenho significativamente melhor sob ciclos térmicos. O pacote Tesla da STMicroelectronics utiliza uma combinação de emendas de fita de cobre e emendas de fios de alumínio sinterizado com prata para a sua ligação ao arranjo. Estamos muito interessados nestas tecnologias alternativas emergentes. À medida que avançamos, veremos certamente uma maior adoção destas opções nos pacotes de inversores para permitir uma maior fiabilidade em formatos mais pequenos com maior eficiência.
Numa escala maior, tal como muitas baterias de veículos elétricos, a eletrónica de potência dos veículos tende a ser refrigerada a líquido. Normalmente, o líquido refrigerante circula pelas alhetas do dissipador de calor localizado por baixo do módulo. Embora este aspeto da gestão térmica da eletrónica de potência possa não ser tão inovador como os materiais emergentes presentes no encapsulamento, não deixa de apresentar oportunidades interessantes para a integração em todo o veículo. Muitos veículos utilizam o mesmo caminho de refrigeração através da eletrónica de potência e do motor elétrico. Por exemplo, em alguns modelos, o calor residual pode ser extraído do conjunto motopropulsor para aquecer o habitáculo, ajudando a reduzir as perdas e a melhorar a autonomia do veículo, principalmente em condições de frio.
A evolução da electrónica de potência, particularmente em direcção aos semicondutores de banda larga, está a transformar a gestão térmica e, consequentemente, o panorama dos materiais na electrónica de potência para veículos eléctricos. O relatório "Gestão Térmica para Veículos Elétricos 2021-2031" da IDTechEx abrange diversos casos de utilização em encapsulamentos de eletrónica de potência para veículos elétricos, além de investigar as tendências em emendas de fios, fixação de chips e materiais de substrato. Além da eletrónica de potência, o relatório explora estratégias de gestão térmica para baterias, motores e eletrónica de potência, incluindo previsões de mercado até 2031.
