Este grupo foi formado para reunir toda a experiência acumulada pela SEMIKRON ao longo de quase 20 anos a oferecer sistemas de energia integrados aos seus clientes. Inicialmente, eram oferecidos apenas módulos de potência e drivers, mas atualmente o nível de integração aumentou para incluir eletrónica de controlo, de modo a que o equipamento esteja pronto para receber software do cliente e ser utilizado como um sistema completo.
Os sistemas de potência SKAI oferecem um elevado nível de integração e vantagens significativas em relação a outros sistemas existentes. Além disso, foram desenvolvidos para cumprir os padrões e sistemas de qualificação mais exigentes da indústria automóvel, reduzindo os custos de desenvolvimento do produto final e o tempo de lançamento no mercado. Os sistemas SKAI são fornecidos como plataformas standard baseadas em MOSFETs de baixa tensão ou IGBTs de alta tensão. Os sistemas SKAI também podem ser personalizados para satisfazer requisitos específicos do cliente.
Um sistema, três tipos
O SKAI2 de alta tensão está disponível nas versões de 600 V e 1200 V, com IGBTs e refrigeração a água. Foi otimizado para utilização em aplicações como carros totalmente elétricos e autocarros elétricos e híbridos. Este sistema é baseado nos módulos SKiM93, que são 100% sem solda, e incorpora um barramento de condensadores de polipropileno, drivers de disparo, um controlador DSP de última geração, filtros EMC e sensores de corrente, tensão e temperatura. Tudo isto integrado numa caixa com classificação IP67. A comunicação com a unidade de controlo central é feita através do barramento CAN. Estes sistemas estão concebidos para potências até 150 kW (ver Figuras 1 e 2).
A versão de baixa tensão incorpora refrigeração a água ou a ar e está equipada com MOSFETs de 50, 100, 150 ou 200 V. As topologias disponíveis incluem inversor trifásico e back-to-back (inversor trifásico duplo). Estes sistemas são utilizados principalmente em veículos industriais, como empilhadores elétricos, etc. A potência de saída deste equipamento pode atingir os 40 kW. Além disso, incorporam as mesmas características do sistema IGBT, permitindo aos clientes utilizar o mesmo sistema de controlo, ligações e componentes mecânicos.
O terceiro tipo de SKAI 2 é um sistema multiconversor arrefecido a água. Um sistema multiconversor típico inclui um conversor frontal ativo de 40 kVA, um inversor trifásico de 20 kVA, um inversor trifásico de 10 kVA e um conversor CC/CC de 14 V/300 A ou 28 V/165 A (ver Figura 3 e Figura 4).
Todos os módulos SKAI2 foram qualificados utilizando diversos métodos, tais como testes de vida acelerados (HALT), testes de fiabilidade e testes de fim de vida, para garantir a conformidade com todas as normas aplicáveis da indústria automóvel. O contacto térmico e elétrico é obtido através da tecnologia de contacto por pressão, que aumenta significativamente a vida útil do produto e a resistência à fadiga. Os sistemas e componentes semicondutores são fabricados utilizando processos de alta tecnologia que incluem testes funcionais pós-produção e, quando necessário, testes de envelhecimento acelerado (burn-in), garantindo um elevado nível de qualidade.
Tecnologias inovadoras
Diversos fatores afetam a eficiência e a fiabilidade dos sistemas de energia.
Para alcançar a máxima eficiência em termos de custo, espaço e desempenho, bem como uma elevada fiabilidade, é fundamental obter a combinação ideal de chips, encapsulamento, design mecânico e desempenho térmico. Isto pode tornar-se uma tarefa complexa se o projetista tiver de se basear em sistemas comerciais padrão, uma vez que é crucial otimizar a seleção de chips e realizar as ligações elétricas corretamente para obter o desempenho ideal do sistema.
Muitos fabricantes de sistemas concentram-se numa única tecnologia, como os MOSFETs ou IGBTs, ou em aplicações que requerem apenas um nível de tensão. No entanto, a grande variação nos requisitos dos sistemas atuais torna a escolha da tecnologia de semicondutores correta para cada aplicação crucial. Como a SEMIKRON é um grande fabricante de semicondutores de potência, pode expandir os limites em áreas como o tamanho e a temperatura. Por exemplo, a SEMIKRON fabrica grandes quantidades de drivers de IGBT e MOSFET e, com base nesta experiência, desenvolveu circuitos integrados dedicados (ASICs) que reduzem drasticamente o tamanho do sistema e a lista de componentes, ao mesmo tempo que aumentam a fiabilidade.
Os mais recentes avanços na eletrónica de potência focam-se na obtenção de densidades de corrente mais elevadas, melhor integração de sistemas e maior fiabilidade. Ao mesmo tempo, existe a necessidade de padronizar e reduzir o custo das interfaces, bem como de conceber produtos flexíveis e modulares. A SEMIKRON estabeleceu uma tendência neste campo ao utilizar a tecnologia de contacto por mola para ligações elétricas.
A fiabilidade dos projetos clássicos de módulos de potência é insuficiente para muitas das aplicações mais recentes em eletrónica de potência. Por exemplo, estes módulos clássicos têm uma capacidade limitada de suportar ciclos térmicos. Portanto, o desenvolvimento de novas técnicas é necessário para satisfazer os elevados requisitos de fiabilidade exigidos pelas aplicações modernas.
Outra limitação significativa para a vida útil dos módulos de potência é o problema da fadiga da soldadura. Nos projetos tradicionais, esta fadiga contribui significativamente para as falhas no final da vida útil dos módulos de potência, especialmente em casos de grandes variações de temperatura de funcionamento, comuns em muitas aplicações. Foram desenvolvidas diversas tecnologias para eliminar as juntas soldadas. Cada uma oferece pequenas vantagens em relação ao design clássico, mas a combinação das mesmas proporciona benefícios significativos.
O principal problema causado pelas altas temperaturas e ciclos térmicos é a delaminação da junta soldada. Este problema foi completamente resolvido nos sistemas SKAI através da tecnologia de sinterização, utilizada para unir os chips semicondutores ao substrato cerâmico. Isto permite que a SKAI opere a temperaturas mais elevadas com maior fiabilidade.
A junta sinterizada consiste numa fina camada de prata que oferece melhores propriedades térmicas do que uma junta soldada. Além disso, não ocorre delaminação, resultando numa resistência térmica consistentemente baixa ao longo de dezenas de milhares de ciclos de potência e temperatura. O elevado ponto de fusão da prata também previne a fadiga do material.
Os sistemas SKAI 2 são oferecidos com ou sem software de controlo. Caso seja necessário, a SEMIKRON pode colaborar com os seus clientes no desenvolvimento do software. Em alternativa, o cliente pode utilizar o seu próprio software. Isto proporciona uma grande flexibilidade e permite o fabrico de equipamentos com recursos personalizados.
O SKAI 2 em aplicações para veículos agrícolas
Estes sistemas são também utilizados em veículos concebidos para aplicações agrícolas, como por exemplo, tratores.
Por exemplo, um fabricante de tractores pretendia desenvolver um sistema de energia eléctrica para reduzir o consumo de combustível e o ruído nos seus tractores de gama alta.
Até então, os equipamentos auxiliares dos tratores estavam ligados mecanicamente ao motor/gerador principal através de engrenagens. Isto impedia que os sistemas auxiliares operassem no seu ponto ideal, resultando numa menor eficiência e num maior consumo de combustível. O objetivo era desligar todos os equipamentos auxiliares do motor principal. Para tal, foi utilizado um gerador ligado ao motor principal para gerar a energia elétrica necessária. Foi ligado um conversor de energia a este gerador para garantir o funcionamento ideal do ventilador, do compressor de ar, do ar condicionado e da fonte de alimentação de 14V existente no trator.
Para satisfazer as especificações do cliente, foi desenvolvido um sistema de energia altamente integrado baseado no sistema SKAI Multi-converter. Este sistema compreende diversos conversores de energia que controlam o fluxo de energia elétrica entre os diferentes sistemas. Pode ser alimentado por um gerador trifásico ou por um barramento CC e comunica com o sistema de controlo principal do veículo através de um barramento CAN. Os componentes semicondutores integrados no sistema foram selecionados da família MiniSKiiP, de elevada fiabilidade.
A combinação de diferentes soluções técnicas resulta num menor consumo de combustível, menores emissões e menos ruído.
Sistemas de energia integrados
Muitas melhorias foram feitas no caminho para uma maior integração dos sistemas de energia. No entanto, serão necessários avanços adicionais em fiabilidade, eficiência, tamanho e versatilidade para aumentar a presença no mercado dos sistemas de energia integrados.
Ao oferecer a sua vasta experiência num único grupo de trabalho, o Grupo de Sistemas da SEMIKRON está posicionado para proporcionar aos clientes elevados níveis de integração, melhorias nas técnicas de arrefecimento de equipamentos, maior desempenho dos ASICs e tecnologias de encapsulamento inovadoras.
Novos sistemas de isolamento de chips, novos métodos para fixar chips ao módulo e, no futuro, a eliminação completa das ligações por fios irão melhorar ainda mais a fiabilidade e a eficiência destes sistemas.
Autor: Paul Newman, Diretor Geral da SEMIKRON UK Ltd.
