Adoção crescente:
A tecnologia SiC está numa curva de adoção ascendente. A disponibilidade de produtos aumentou juntamente com a variedade de opções oferecidas por diversos fornecedores de componentes. O mercado duplicou nos últimos três anos e a projeção é de um crescimento de vinte vezes, ultrapassando os 10 mil milhões de dólares nos próximos 10 anos. A adoção está a expandir-se para além das aplicações em veículos híbridos e elétricos (H/EV), abrangendo também sistemas de controlo de motores e de potência em comboios, veículos pesados, equipamentos industriais e infraestruturas de recarga de veículos elétricos. Os fornecedores dos setores aeroespacial e de defesa também estão a impulsionar a qualidade e a fiabilidade do SiC para satisfazer os rigorosos requisitos de robustez dos componentes nestes setores.
Uma parte fundamental de um programa de desenvolvimento de SiC é validar a fiabilidade e a resistência dos dispositivos de SiC, dado que estes aspetos variam consideravelmente entre fornecedores. Com a crescente tendência para uma abordagem sistémica, os projetistas devem também avaliar o âmbito da oferta de produtos do fornecedor. É importante que os projetistas trabalhem com fornecedores que ofereçam soluções flexíveis, como opções de chips, componentes discretos e módulos, com suporte global, distribuição e ferramentas de simulação e desenvolvimento de projetos abrangentes. Os programadores que procuram preparar os seus projetos para o futuro também terão de explorar as mais recentes funcionalidades, como os controladores de portão digitais programáveis, que resolvem desafios de implementação anteriores e permitem o ajuste do desempenho do sistema com o toque de uma tecla.
Etapa Um: Três Testes Essenciais.
Um conjunto de três testes fornece os dados para avaliar a fiabilidade dos dispositivos de SiC: capacidade de avalanche, capacidade de suportar curto-circuito e a fiabilidade do díodo de corpo do MOSFET de SiC.
Uma capacidade de avalanche adequada é crucial: mesmo uma pequena falha num componente passivo pode causar picos de tensão transitórios que excedem o limite de tensão nominal, levando, em última instância, à falha do dispositivo ou possivelmente à falha de todo o sistema. Os MOSFET de SiC com capacidade de avalanche adequada reduzem a necessidade de circuitos de proteção e prolongam a vida útil das aplicações. As opções de melhor desempenho demonstram uma elevada capacidade de UIS (Interferência Sub-resistente) até 25 joules por centímetro quadrado (J/cm²). Estes dispositivos apresentam pouca degradação paramétrica mesmo após 100.000 ciclos repetitivos de teste de UIS.
O segundo teste essencial é o tempo de resistência a curto-circuito (SCWT), ou o tempo máximo antes de o dispositivo falhar numa condição de curto-circuito rail-to-rail. O resultado deverá ser semelhante ao dos IGBTs utilizados em aplicações de conversão de energia, a maioria dos quais possui um SCWT de 5 a 10 microssegundos (µs). Garantir um SCWT suficiente permite que os sistemas lidem com condições de falha sem danos.
Um terceiro parâmetro fundamental é a estabilidade da tensão direta do díodo intrínseco do MOSFET de SiC. Esta pode variar substancialmente de um fornecedor para outro. Sem um design, maquinação e materiais adequados, a condutividade deste díodo pode degradar-se durante a operação, levando a um aumento da resistência dreno-fonte no estado ligado (RDSon). A Figura 1 ilustra algumas das diferenças existentes. Num estudo conduzido pela Universidade Estadual de Ohio, foram avaliados MOSFETs de três fornecedores. Num dos extremos dos resultados, todos os dispositivos do fornecedor B apresentaram degradação na corrente contínua, enquanto que no outro extremo, não foi observada degradação nos MOSFETs do fornecedor C.
Figura 1: Características diretas dos MOSFETs de SiC, mostrando as diferenças na degradação do corpo do díodo por fornecedor. Fonte: Dr. Anant Agarwal e Dr. Min Seok Kang, Universidade Estadual de Ohio.
Uma vez validada a fiabilidade do dispositivo, o passo seguinte é avaliar o ecossistema que o rodeia, incluindo a variedade de opções de produtos, uma cadeia de fornecimento robusta e apoio ao projeto.
Fornecimento, Suporte e Design ao Nível do Sistema:
No meio de um número crescente de fornecedores de SiC, as empresas de SiC atuais variam em opções de dispositivos, bem como em expertise e infraestrutura para suportar e fornecer muitos mercados exigentes de SiC, como o automóvel e o aeroespacial/de defesa.
Os projetos de sistemas de energia sofrem melhorias contínuas ao longo do tempo e em diferentes gerações desse projeto. As aplicações de SiC não são diferentes. As primeiras gerações de projetos podem utilizar produtos energéticos discretos, amplamente disponíveis e normalizados, em opções de encapsulamento de montagem superficial ou através de furos. À medida que o número de aplicações aumenta e os projetistas se concentram na redução do tamanho, peso e custo, normalmente migram os seus projetos para módulos de energia integrados ou podem optar por uma parceria tripartida. Estas parcerias tripartidas incluem a equipa de design do produto final, um fabricante de módulos e um fornecedor de chips de SiC. Cada um desempenha um papel fundamental para atingir os objetivos globais do design.
Os problemas na cadeia de abastecimento são uma preocupação importante e legítima no mercado de SiC em rápido crescimento. O material do substrato de SiC é o componente mais dispendioso no processo de fabrico de chips de SiC. Além disso, o fabrico de SiC requer equipamentos de alta temperatura que não são necessários para o desenvolvimento de produtos de potência e circuitos integrados (CIs) baseados em silício. Os projetistas devem garantir que os fornecedores de SiC possuem um modelo de cadeia de abastecimento robusto, que inclua múltiplas unidades de produção em caso de catástrofes naturais ou problemas graves de desempenho, para garantir que o fornecimento satisfaz sempre a procura. Adicionalmente, muitos fornecedores de componentes estão a chegar ao fim do ciclo de vida das gerações anteriores de dispositivos, obrigando os designers a gastar tempo e recursos a redesenhar as aplicações existentes em vez de desenvolver novos projetos inovadores que ajudariam a reduzir os custos do produto final e a aumentar as receitas.
O apoio ao projeto também é crucial, incluindo ferramentas de simulação e projetos de referência que ajudam a encurtar os tempos do ciclo de desenvolvimento. Graças às soluções para controlar e acionar dispositivos SiC, os programadores podem explorar novas capacidades, como a comutação melhorada, para aproveitar ao máximo o valor de uma abordagem sistémica. A Figura 2 mostra um projeto de sistema baseado em SiC com um controlador de porta digital programável integrado que acelera ainda mais o tempo de produção e cria novas formas de otimizar os projetos.
Figura 2: As placas adaptadoras de módulo combinadas com núcleos de driver de porta fornecem uma plataforma para avaliar e otimizar rapidamente novos dispositivos de potência SiC através do aumento da comutação.
Novas opções para a otimização do projeto
As opções de drivers de gate digitais programáveis maximizam as vantagens do SiC através de uma comutação melhorada. Permitem a fácil configuração dos tempos de ativação e desativação e dos níveis de tensão dos MOSFET de SiC, possibilitando aos projetistas acelerar a comutação e aumentar a eficiência do sistema, ao mesmo tempo que reduzem o tempo e a complexidade associados ao desenvolvimento de drivers de gate. Em vez de modificar manualmente a placa de circuito impresso, os programadores podem utilizar um software de configuração para otimizar os seus projetos baseados em SiC com o toque de um botão, garantindo a sua compatibilidade futura, acelerando o tempo de lançamento no mercado e aumentando a eficiência e a proteção contra falhas.
Figura 3: A utilização de drivers de porta digitais programáveis para implementar as mais recentes técnicas de comutação melhorada ajuda a resolver problemas de ruído em SiC, acelera a resposta a curtos-circuitos, auxilia na gestão de problemas de sobretensão e minimiza o sobreaquecimento.
Os pioneiros na adoção do SiC já estão a colher os benefícios nos setores automóvel, industrial, aeroespacial e de defesa, à medida que a sua adoção se expande para aplicações mais amplas. O sucesso continuará a depender da capacidade de validar a fiabilidade e a resiliência dos dispositivos de SiC. À medida que os programadores adotam uma estratégia de solução completa, terão de ter acesso a portfólios abrangentes, apoiados por uma cadeia de fornecimento global completa e fiável, além de todas as ferramentas de simulação de design e desenvolvimento necessárias. Além disso, terão novas oportunidades de proteger os seus investimentos para o futuro, graças às novas capacidades de otimização de projetos configuráveis por software, que permitem o controlo digital programável das portas.
Por Orlando Esparza, Diretor de Marketing Estratégico da Microchip
