Ao contrário dos veículos elétricos de consumo, que priorizam a autonomia por carga, outros casos de utilização no transporte podem ter prioridades diferentes, que são satisfeitas através de melhorias na APU (Unidade Potencial de Alimentação). Por exemplo, o espaço para passageiros é muito importante nos sistemas de transporte ferroviário ligeiro, uma vez que a altura livre permite acomodar mais passageiros pagantes. A fiabilidade no terreno é fundamental para os veículos de mineração, onde o tempo de inatividade é medido em milhões de dólares por dia. E em todos os casos de utilização, o conforto dos passageiros é crucial num mercado servido por fabricantes de equipamento original (OEMs) competitivos que visam clientes exigentes.
As elevadas perdas de comutação dos IGBTs de silício têm dificultado as melhorias nas APUs para transporte. Ao limitar a frequência de comutação, os IGBT fixam o tamanho mínimo dos maiores componentes físicos da APU: o transformador de isolamento e o dissipador de calor. Com o SiC (carboneto de silício), o tamanho do transformador de isolamento pode ser drasticamente reduzido com a comutação a frequências mais elevadas; e com as perdas de comutação reduzidas em 80% ou mais, os dissipadores de calor também podem ter o seu tamanho reduzido. Além disso, as frequências de comutação da APU podem estender-se para além da gama audível, eliminando o ruído agudo que incomoda os passageiros. Por fim, a eficiência é essencial porque a APU opera continuamente, frequentemente sob cargas ligeiras; as perdas de condução dos MOSFETs de SiC são inferiores às dos IGBTs concorrentes em condições de baixa carga.
O SiC está à altura da tarefa?
A resiliência dos MOSFET de SiC sob uma vasta gama de condições é essencial para as APU que alimentam cargas de conforto e de emergência. É necessário verificar: 1) a estabilidade do óxido de porta do MOSFET, um problema conhecido para os MOSFETs de SiC; 2) a vida útil do óxido de porta; 3) a estabilidade do díodo de corpo do MOSFET; e 4) medidas de resiliência a falhas, como a resistência à avalanche e a sobrevivência a curto-circuitos.
Integridade do Óxido de Porta:
Se a tensão de limiar se deslocar, o desempenho do dispositivo altera-se (por exemplo, a resistência de ativação aumenta), levando a um comportamento errático do sistema e a uma potencial falha da APU. A Figura 1 mostra como os dados de Vth para os MOSFETs de SiC de produção não devem apresentar qualquer alteração significativa após 1000 h de stress a 175 °C.
Figura 1. Tensão de limiar dos MOSFETs de SiC de produção antes e depois de alta temperatura (esquerda) e tensão de polarização de porta positiva (direita).
A vida útil do óxido de porta pode ser prevista acelerando as amostras até à rotura utilizando uma temperatura elevada e um campo elétrico. A energia de ativação é extraída para cada modo de falha e é utilizada uma equação de Arrhenius para extrapolar a vida útil do óxido (ver Figura 2). O óxido de porta de um MOSFET de SiC de produção pode durar bem mais de 100 anos em alta tensão, garantindo confiança na operação rotineira e fiável da APU para além da sua vida útil projetada.
Figura 2. Exemplo da vida útil extrapolada do óxido do MOSFET de SiC de grau de produção da Microchip.
Estabilidade do díodo de corpo:
Ao contrário do IGBT, o MOSFET de SiC pode conduzir corrente inversa utilizando o seu díodo de corpo intrínseco. Em alguns dispositivos, este díodo degrada-se com o tempo, resultando num aumento da resistência de dreno-fonte (RDSon) e em mais calor do que o projetado. A Figura 3 mostra as curvas IV do díodo de corpo e a resistência de dreno-fonte no estado ligado (RDSon) do MOSFET após muitas horas de tensão direta constante [1]. Uma grande variação foi observada entre diferentes fornecedores. Um fornecedor apresentou degradação acentuada; outro tornou-se inutilizável. Os dispositivos selecionados não devem apresentar qualquer alteração percetível. A utilização de um MOSFET de SiC com um díodo de corpo estável melhora a fiabilidade e reduz o custo, eliminando o díodo antiparalelo.
Figura 3. RDSon antes e depois da tensão dos MOSFETs de SiC disponíveis comercialmente, revelando a diferente qualidade intrínseca do díodo de corpo de três fornecedores [1].
Sobrevivência no terreno: Curto-circuito e
transporte de avalanche. As APU são suscetíveis a uma grande variedade de falhas, exigindo que os MOSFET de SiC sejam concebidos para suportar estes eventos em segurança e manter um desempenho consistente antes e depois das falhas.
A capacidade de suportar curto-circuito mede a capacidade de um MOSFET sobreviver a um curto-circuito instantâneo no barramento CC entre os seus terminais de drenagem e de fonte. Os canais dos MOSFETs são melhorados, permitindo que um dispositivo adequadamente concebido distribua com segurança as correntes de pico por toda a área do chip do MOSFET. A Figura 4 mostra os tempos de suporte a curto-circuito (SCWT) dos MOSFETs de SiC de produção; o exemplo da Microchip varia entre 3 a 14 microssegundos e depende da tensão do barramento CC e da tensão VGS aplicada. Isto é suficiente para muitos drivers de gate disponíveis comercialmente. Um driver avançado, como o descrito na secção seguinte, acrescenta inteligência à deteção de curto-circuitos.
Figura 4. Tempo de resistência a curto-circuito para MOSFETs de SiC de produção.
A resistência à avalanche é ainda mais exigente: a corrente de carga é subitamente aplicada ao MOSFET, obrigando a tensão dreno-fonte a subir até à rotura. Ao contrário de um curto-circuito, os canais do MOSFET não são reforçados; a corrente de avalanche sobrecarrega a borda do chip, levando rapidamente o dispositivo aos seus limites térmicos.
A comutação indutiva repetitiva sem fixação (R-UIS) é utilizada para avaliar a resistência à avalanche de um dispositivo. A Figura 5 mostra o tempo de rutura dielétrica (TDDB) dos MOSFETs de SiC comerciais antes e depois de 100.000 ciclos de R-UIS. Muitos fornecedores mantêm a resistência do óxido, mas a capacidade de testar até quatro vezes a resistência, juntamente com a estabilidade em RDSon e fuga dreno-fonte [2], reforça a capacidade dos MOSFETs de SiC de atravessar com segurança as condições de sobrecarga elétrica mais exigentes.
Figura 5. Ruptura dielétrica dependente do tempo antes e depois de uma falha por avalanche repetitiva para MOSFETs de SiC disponíveis comercialmente de quatro fornecedores.
Comutação mais rápida com encapsulamentos de baixa indutância.
Combinadas com elevadas taxas de bordo, as indutâncias problemáticas num sistema de energia levam a maiores perdas de comutação, tensões de sobrecarga excessivas, EMI não conforme e, potencialmente, falhas na APU. As medidas preventivas que os projetistas devem tomar para reduzir as velocidades dos MOSFET podem fazê-los questionar o que aconteceu à proposta de valor do SiC.
O encapsulamento SP6LI de baixa indutância da Microchip ilustra como estes problemas podem ser resolvidos. A configuração do estágio de fase insere menos de 3 nanohenries de indutância parasita no circuito de potência. Internamente, foram feitas otimizações de design para garantir temporização e partilha de corrente idênticas. O desempenho térmico pode ser melhorado com a utilização de cerâmica de nitreto de silício (o nitreto de alumínio também é oferecido), e as opções de placas de base incluem cobre e AlSiC. Externamente, os terminais de potência permitem uma ligação de baixa indutância ao link CC e um paralelismo ideal em duas orientações. O SP6LI permite aos projetistas acionar MOSFETs de SiC a velocidades mais elevadas com a máxima eficiência e EMI reduzida, diminuindo o tamanho das APUs e evitando falhas relacionadas com a EMI.
Os Drivers de Gate Mantêm as APUs no Caminho Certo.
O desempenho e a fiabilidade das APU também podem ser otimizados utilizando drivers de gate digitais programáveis que permitem o ajuste preciso da tensão de overflow e das perdas de comutação em tempo real. Isto permite aos designers de APUs reduzir o custo e o tamanho das APUs com componentes de menor tensão e dissipadores de calor mais pequenos, além de eliminar horas de trabalho com um ferro de soldar e uma grande quantidade de resistências de gate.
O impacto da comutação aumentada pode ser observado na Figura 6. Ao contrário do desligamento convencional (à esquerda), o desligamento aumentado começa com uma tensão de ativação de 20 V, passa para um nível intermédio programado pelo utilizador durante um tempo de permanência especificado e, finalmente, para o estado de desligamento de -5 V. Os efeitos são modestos devido à indutância excecionalmente baixa do SP6LI; resultados que mostram uma influência mais pronunciada foram reportados noutros trabalhos [2,3]. Além disso, os eventos de curto-circuito param rapidamente, reduzindo a tensão e a corrente de pico em 60% e 10%, respetivamente (Figura 7).
Figura 6. Interface gráfica do utilizador para o controlador de porta programável AgileSwitch™ e formas de onda de desligamento utilizando (esquerda) comutação convencional e (direita) comutação aumentada.
Figura 7. Demonstração de como a comutação aumentada (à direita) pode reduzir a tensão e a corrente de pico durante um curto-circuito em comparação com a comutação convencional (à esquerda).
de soluções de sistema SiC completas
que procuram acelerar a transição da avaliação de duplo pulso para a produção em massa necessitarão de kits de desenvolvimento acelerado que unifiquem os três componentes de uma solução de sistema SiC completa para APUs de transporte: dispositivos de potência SiC robustos, um encapsulamento de potência de baixa indutância e um driver de porta inteligente. A Figura 8 mostra como a solução da Microchip pode ser incorporada num circuito de APU.
Figura 8: Implementação proposta do deslocamento de fase em ponte completa ASDAK+ da Microchip na secção DC-DC de uma APU de transporte. [4]
Resumo:
A utilização de MOSFETs de SiC em unidades de potência auxiliares para veículos de transporte oferece vantagens disruptivas em relação aos IGBTs de silício no que diz respeito ao tamanho, peso, eficiência e ruído da APU. No entanto, estas vantagens só podem ser alcançadas com elevada fiabilidade no terreno, utilizando MOSFETs de SiC robustos, um encapsulamento de baixa indutância e um driver de gate suficientemente inteligente para tirar partido do desempenho ágil do SiC. Os projetistas podem agora enfrentar os desafios de design de APUs para transporte com soluções completas de sistemas em SiC que reduzem simultaneamente o tamanho, o ruído e as falhas em campo das APUs para transporte.
Referências
[1] Agarwal, A. e Kang, M., comunicação pessoal, 2020.
[2] Speer, K., Satheesh, N., Kashyap, A. e Bontemps, S., “Simplified SiC development with a total system solution”, IEEE Power Electronics Magazine, Vol. 28-35, 2020.
[3] Satheesh, N., Robins, C. e Fender, A., “O estado dos drivers de gate MOSFET de SiC inteligentes”, Bodo’s Power Systems, pp. 30-33, fevereiro de 2018.
[4] Satheesh, N., “MOSFETs de carboneto de silício: manusear com cuidado”, in Proc. Applied Power Electronics Conference (APEC), San Antonio, Texas, USA, 2018.
[5] Hayashiya, H. e Kondo, K., “Recent trends in power electronic applications as solutions in electrical railways”, IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, vol. 15: 632-645, 2020.
Autor: Por Kevin Speer, Nitesh Satheesh e Marc Rommerswinkel, Microchip Technology
