Desde a tecnologia da construção ao transporte de passageiros e de carga, estamos a enfrentar mudanças substanciais em todos os aspetos da vida quotidiana. Um novo conceito está a surgir neste contexto: a eletromobilidade. Os fabricantes de automóveis, as empresas industriais e os institutos de investigação estão a trabalhar em conjunto para desenvolver veículos totalmente elétricos e a infraestrutura necessária. As expectativas em relação aos veículos elétricos melhoraram significativamente no último ano. Novos conceitos de tração foram pesquisados ​​e testados por várias empresas nos últimos anos. Os primeiros modelos de veículos híbridos e elétricos já estão disponíveis no mercado. Novos componentes que não estavam presentes nos veículos convencionais a diesel/gasolina, como os sistemas eletrónicos de energia, estão a ser integrados nos automóveis.

Alguns exemplos deste tipo de sistema são:

- Inversores para controlo de motores (até 300 kW)
- Carregadores de bateria (carregadores de veículos) de 3,6 kW a 22 kW
- Carregamento indutivo (carregamento sem fios) de 3,6 kW a 22 kW
- Conversores CC/CC até 5 kW
- Inversores para unidades auxiliares como sistemas de ar condicionado, direção assistida, bombas de água, etc.
 
Nos sistemas acima mencionados, a eletrónica de potência desempenha um papel decisivo para garantir o funcionamento dos veículos híbridos e elétricos.

O SiC, um material semicondutor eficiente,
representa um desafio significativo para os desenvolvedores de sistemas de eletrónica de potência. As exigências impostas pelos fabricantes de equipamento original (OEM) da indústria automóvel em relação aos sistemas eletrónicos de potência são cruciais. Especificamente, o espaço, o peso e a eficiência são considerações fundamentais. Além disso, os custos totais do sistema e o esforço necessário durante a fase de conceção do produto devem ser baixos, garantindo simultaneamente a qualidade e a segurança da operação.
A eficiência da electrónica de potência convencional, baseada em tecnologias de semicondutores de silício, varia tipicamente entre os 85% e os 95%. Isto significa que aproximadamente 10% da corrente elétrica é perdida sob a forma de calor durante cada conversão de energia. De um modo geral, a eficiência da eletrónica de potência é amplamente limitada pelo desempenho dos semicondutores de potência. Devido às suas propriedades físicas, o SiC possui um enorme potencial para satisfazer as exigências destas tendências de mercado.
Comparativamente aos dispositivos semicondutores de silício, a intensidade do campo elétrico do SiC é quase dez vezes superior (2,8 MV/cm vs. 0,3 MV/cm). A maior intensidade do campo elétrico deste substrato de SiC altamente resistente permite a aplicação de uma estrutura de camadas mais fina, conhecida como camadas epitaxiais, na estrutura de SiC. Isto equivale a um décimo da espessura das camadas epitaxiais de silício. A concentração de dopagem do SiC pode ser duas ordens de grandeza superior à do silício à mesma tensão de bloqueio. Assim sendo, a resistência superficial (RonA) do componente é reduzida, resultando numa diminuição considerável das perdas de fase.
O projeto térmico desempenha um papel crucial nos sistemas eletrónicos de energia para o projeto de alta densidade de potência e, consequentemente, para a obtenção de sistemas compactos. Como material semicondutor, o SiC é excelente para estas aplicações porque a sua condutividade térmica é quase três vezes superior à dos dispositivos semicondutores de silício. O SiC também é adequado para temperaturas de funcionamento mais elevadas em comparação com os semicondutores de silício.

Dissipação de Energia em Dispositivos Semicondutores:
No funcionamento dos sistemas de energia electrónicos, ocorre perda de energia durante a passagem da corrente e o comutação dos componentes semicondutores. A perda total de energia nos sistemas de energia eletrónicos consiste em perdas estáticas e perdas de comutação. As perdas estáticas ocorrem principalmente quando a componente de potência está em condução. As perdas de comutação resultam do comutação dos semicondutores. Quanto maior for a frequência de comutação durante a operação, maiores serão as perdas de comutação.
A frequência de comutação em sistemas eletrónicos de potência é frequentemente definida de acordo com a sua aplicação e as limitações específicas do sistema. Por exemplo, a frequência de comutação de um acionamento elétrico é determinada pela frequência de saída requerida pelo motor. Outros fatores, como o comportamento ressonante de todo o sistema, a compatibilidade eletromagnética (CEM) e a gestão térmica, também devem ser considerados para determinar a frequência de comutação adequada. Para além das perdas de energia no dispositivo semicondutor de potência, existem também perdas em componentes passivos, como transformadores, indutores e condensadores dentro do circuito. A interação entre os semicondutores de potência e os componentes passivos, como indutores e transformadores, torna-se o fator decisivo para alcançar uma elevada densidade de potência no sistema. Assim sendo, as propriedades físicas dos componentes passivos e semicondutores devem ser consideradas no projeto de sistemas eletrónicos de potência.
As perdas estáticas e de comutação, bem como as dos componentes passivos, contribuem para as perdas totais de energia no sistema, que podem ser convertidas em calor. O calor gerado deve ser dissipado através de um meio de arrefecimento adequado para garantir a fiabilidade dos componentes e do sistema. Em princípio, as perdas de comutação ocorrem num único processo de comutação, por exemplo, quando os semicondutores são comutados. Um aumento da frequência de comutação leva a um aumento das perdas totais de comutação, o que, por sua vez, impacta significativamente as perdas totais de energia. Em certos sistemas eletrónicos de potência de veículos, é preferível uma frequência de comutação elevada para satisfazer os requisitos ou especificações do sistema. Num sistema deste tipo, as perdas de comutação representarão uma grande parcela das perdas totais de energia do sistema. Se forem utilizados semicondutores de silício nestes tipos de aplicações com elevadas frequências de comutação, a elevada dissipação de potência e o calor resultante obrigam os desenvolvedores de sistemas a garantir a funcionalidade e a fiabilidade do sistema. Isto significa, por outras palavras, que uma frequência de comutação elevada implica um menor consumo de energia. No entanto, se as correntes de carga elevadas forem essenciais nestas aplicações, o tamanho global do sistema deverá aumentar proporcionalmente. Esta medida seria inevitável neste momento, mas não vai ao encontro das expectativas do utilizador final. Pode dizer-se que os semicondutores de silício atingiram praticamente os seus limites.
Ao comparar um MOSFET de SiC e um IGBT de silício em aplicações caracterizadas por elevadas frequências de comutação, verifica-se que a corrente de saída necessita de ser reduzida devido às elevadas perdas de comutação do IGBT de silício e ao calor resultante. Esta é a única forma de evitar ultrapassar a temperatura máxima de funcionamento do chip e garantir a funcionalidade do semicondutor.

Texto no gráfico: Concorrente; Frequência de comutação (kHz), o SiC proporciona uma maior corrente de carga a frequências de comutação mais elevadas. Corrente de carga (Arms).
Tudo muda quando se utiliza SiC. O semicondutor SiC oferece um melhor desempenho de comutação do que o IGBT de silício. Portanto, o SiC provoca menores perdas de comutação a frequências de comutação mais elevadas. Como resultado, é possível obter uma corrente de carga mais elevada na aplicação a altas frequências de comutação em comparação com um IGBT de silício.

A Figura 2 apresenta uma comparação entre um módulo de meia ponte SiC (BSM300D12P2E001) e quatro módulos IGBT diferentes do mesmo fabricante.

Esta imagem indica claramente que, para frequências de comutação elevadas, o MOSFET de SiC é mais eficiente que o IGBT de silício. Ao utilizar um módulo IGBT de 300 A e uma frequência de comutação de 40 kHz, não foi possível atingir uma corrente de carga superior a 80 Arms na aplicação. Em contraste, foi possível atingir uma corrente de carga de 200 Arms utilizando um módulo Rohm SiC de 300 A. Isto representa um aumento de 120% na corrente de carga em comparação com o IGBT de silício.
 Para desenvolver sistemas de eletrónica de potência compactos, os desenvolvedores devem utilizar um sistema de refrigeração otimizado. Nos últimos anos, têm surgido no mercado diversos novos conceitos de arrefecimento para superar estes desafios; no entanto, estes conceitos são geralmente muito dispendiosos e, por vezes, causam problemas nas aplicações. Estes problemas ocorrem não só durante a fase de desenvolvimento, mas também durante a produção e a operação. Graças à utilização de um material semicondutor eficiente como o SiC, este processo de arrefecimento complexo pode ser eliminado, resultando em custos de arrefecimento reduzidos e numa operação mais simples do sistema.

Miniaturização dos Sistemas Electrónicos de Potência:
Os fabricantes de automóveis impuseram diversos requisitos aos sistemas electrónicos de potência, tomando como referência os cenários de aplicação em veículos eléctricos. Estes requisitos incluem, por exemplo, resistência a variações de temperatura, resistência à vibração, funcionamento fiável a diferentes temperaturas e longa vida útil. Além disso, a elevada densidade de potência nos sistemas integrados é agora considerada essencial pelos fabricantes de automóveis. No entanto, todos estes requisitos representam um desafio significativo para a eletrónica de potência.
A autonomia das baterias de alta tensão é um dos maiores obstáculos à implementação de veículos híbridos e elétricos. Para convencer o consumidor final (ou seja, o proprietário do automóvel) sobre a mobilidade elétrica, alguns fabricantes de automóveis estão a apostar em sistemas de carregamento rápido concebidos para simplificar a utilização de carros elétricos. Contudo, do ponto de vista técnico, o carregamento rápido implica a necessidade de um desempenho de carregamento superior num curto período de tempo para carregar completamente a bateria. Como o espaço disponível dentro de um veículo é sempre limitado, o sistema de carregamento da bateria deve ter uma elevada densidade de potência. Esta é a única forma de integrar estes sistemas no veículo, atendendo às exigências do mercado.
Os carregadores de bordo são sistemas complexos compostos por diversos componentes para conversão de energia. Estes sistemas integram diversos componentes, como semicondutores (como díodos e MOSFETs), componentes passivos (como indutores e condensadores) e um transformador com uma relação de espiras adaptada para carregar a bateria até à tensão necessária. O transformador é também utilizado para o desacoplamento galvânico da bateria de alta tensão durante o carregamento.
Uma forma de miniaturizar a eletrónica de potência é tornar os componentes passivos, como indutores e transformadores, mais compactos. Isto geralmente só é possível se os semicondutores utilizados no circuito puderem ser controlados a uma frequência de comutação elevada. No caso dos semicondutores de silício, a carga térmica gerada por elevadas frequências de comutação limita esta abordagem. Em contraste, o MOSFET de SiC é ideal para estas aplicações graças às suas excelentes características de comutação.
A Figura 3 ilustra isto com um exemplo: para um conversor CC/CC que utilize semicondutores de silício, a frequência de comutação está limitada a 25 kHz. Utilizando um MOSFET de SiC, pode ser alcançada uma frequência de comutação de 160 kHz. Isto resulta numa miniaturização significativa da qualidade geral do enrolamento do sistema, bem como numa elevada densidade de potência e numa redução significativa do peso total.

 
Peso – sistema semicondutor de silício – sistema semicondutor de SiC
Volume – tamanho do chip

As vantagens dos semicondutores de SiC foram finalmente reconhecidas pelos fabricantes de automóveis. Os primeiros produtos, especificamente os díodos de SiC da Rohm, estão a ser utilizados para carregamento a bordo em diversos veículos produzidos em massa em todo o mundo. A Rohm também oferecerá em breve o primeiro MOSFET de SiC de grau automóvel do mundo. Para além dos sistemas de carregamento de baterias, os semicondutores de SiC prometem um enorme potencial em aplicações como conversores CC/CC e inversores de frequência. A Rohm oferece soluções específicas para este tipo de aplicações. A
segunda geração de díodos Schottky de SiC (SBDs) da Rohm inclui atualmente produtos para 650 V com uma corrente de 5 a 100 A, bem como para 1200 V e 1700 V com uma capacidade de corrente até 50 A. A gama de MOSFETs de SiC da Rohm é ainda mais ampla, uma vez que a empresa oferece duas tecnologias diferentes: planar e dual-trench. A tecnologia planar já oferece produtos e módulos discretos nas gamas de tensão de 650 V, 1200 V e 1700 V, com uma capacidade de corrente até 300 A.
A ROHM está a lançar a produção em massa de MOSFETs de SiC de terceira geração para componentes discretos, bem como módulos completos de SiC incorporando a sua tecnologia proprietária de dupla trincheira, expandindo a família de produtos MOSFET existente e contribuindo para o desenvolvimento de eletrónica de potência eficiente e fiável.

Mais informações

Autor: Aly Mashaly, Responsável do Departamento de Sistemas de Energia da ROHM Semiconductor GmbH