Os MOSFET de carboneto de silício (SiC) de alta tensão são a chave que os designers necessitam para ultrapassar as limitações do silício.
Figura 1. Uma frota inteira de veículos comerciais eletrificados beneficiará dos MOSFET de SiC de alta tensão.
Há quase duas décadas que os dispositivos de potência de SiC com tensões nominais de 650 a 1200 V estão disponíveis comercialmente. Isto permitiu finalmente aos projetistas introduzir avanços disruptivos nas tecnologias e equipamentos de utilização final, melhorando simultaneamente o desempenho, a fiabilidade, o tamanho, o peso e até o custo. O recente anúncio de uma família de produtos de SiC de 1700 V amplia as inúmeras vantagens do SiC em toda a cadeia de abastecimento, alterando o paradigma da conversão de energia em novos segmentos de utilização final, como a eletrificação de veículos comerciais e pesados, tração e energia auxiliar para comboios ligeiros, energia renovável e acionamentos industriais.
Este artigo detalha as vantagens que os MOSFET de SiC de 1700 V oferecem em relação às soluções de silício em vários níveis de potência, desde watts a megawatts.
De dezenas a centenas de watts.
Para um nível de potência tão baixo, qual a necessidade de um transístor de 1700V? Embora exista apenas uma, é omnipresente: a fonte de alimentação auxiliar, presente em todos os sistemas de eletrónica de potência, é essencial para o funcionamento de acionamentos de motores industriais, veículos elétricos, data centers e sistemas de energia de reserva, inversores solares e infraestruturas de carregamento, entre outras aplicações. A fonte de alimentação auxiliar é fundamental para o sistema porque alimenta os drivers de gate, os circuitos de sensorização e controlo e os ventiladores de refrigeração; por conseguinte, a fonte de alimentação auxiliar não pode falhar e os riscos associados devem ser mitigados.
Uma vez que estas fontes de alimentação comutada isoladas e de baixa potência são utilizadas em diversas aplicações em todo o mundo, devem suportar uma vasta gama de tensões de entrada CC elevadas (300 a 1000V) e fornecer uma tensão de saída baixa (5 a 48V). Talvez o método mais eficaz para minimizar as falhas seja o projecto de um circuito simplificado. Como mostra a Figura 2, o design de circuito mais fiável é a topologia flyback de interruptor único (Figura 2, à direita), que se destaca pela sua simplicidade e menor número de componentes, oferecendo a vantagem adicional de um custo total reduzido.
O advento dos MOSFET de SiC de 1700 V oferece uma solução ideal para fontes de alimentação auxiliares. Estes dispositivos, caracterizados pela sua elevada tensão de rutura, baixa resistência de condução e elevada velocidade de comutação, são adequados para a topologia flyback de interruptor único. Em contraste, as soluções baseadas em silício são caracterizadas por uma classificação de tensão muito baixa, exigindo uma arquitetura de dois interruptores (como mostrado na Figura 2, à esquerda) e duplicando o potencial de falha, ou têm uma classificação de tensão adequada, mas baixa eficiência. Além disso, existem poucos fornecedores e o seu preço é mais elevado em comparação com o SiC.
Juntamente com a sua maior fiabilidade, técnica de controlo mais simples, menor número de componentes e menor custo, uma fonte de alimentação auxiliar de 1700 V utilizando MOSFETs de SiC também pode ser mais baixa. A resistência de condução normalizada (Ron,sp) dos MOSFET de SiC é muito menor do que a dos MOSFET de silício. Isto significa que podem ser utilizados encapsulamentos mais pequenos, pois o chip do material semicondutor também é menor. As perdas por condução são também menores, o que pode, em última análise, reduzir o tamanho dos dissipadores de calor ou mesmo eliminá-los. Além disso, os MOSFET de SiC apresentam menores perdas de comutação, o que simplifica a redução do tamanho, peso e custo do transformador, à medida que a frequência de comutação aumenta.
Figura 2. A topologia de dois interruptores (à esquerda) utilizando transístores de silício pode ser substituída por uma topologia flyback (à direita) com um único interruptor, que é muito mais simples, melhora o desempenho e é menos dispendiosa graças aos MOSFETs de SiC de 1700 V.
De dezenas a centenas de quilowatts
: Em níveis de potência mais elevados, os MOSFETs de SiC de 1700V também oferecem muitas vantagens sobre os MOSFETs de silício e IGBTs em aplicações que variam de dezenas a centenas de quilowatts. Exemplos incluem inversores de string e centrais de energia solar, fontes de alimentação auxiliares em veículos comerciais, máquinas de aquecimento e soldadura por indução, acionamentos industriais e conversores de turbinas eólicas, entre outros.
À medida que a potência processada aumenta, aumentam também os efeitos da maior velocidade e da comutação mais eficiente do SiC. Comparativamente aos IGBTs de silício, os MOSFETs de SiC reduzem as perdas de comutação em média 80%, permitindo que os conversores aumentem a frequência de comutação e reduzam o tamanho, o peso e o custo de transformadores volumosos e dispendiosos. E embora as perdas de condução dos MOSFETs de SiC e dos IGBTs de silício sejam semelhantes sob cargas pesadas, muitas aplicações passam a maior parte da sua vida útil a operar sob cargas ligeiras. Exemplos incluem os inversores solares que operam em dias nublados ou em áreas sombreadas; conversores de aerogeradores em dias sem vento; e portas de comboio (abertas/fechadas por fontes de transporte auxiliares) que permanecem fechadas a maior parte do tempo. Com estas cargas leves comuns, os MOSFET de SiC oferecem menores perdas de condução para complementar as suas reduzidas perdas de comutação, permitindo assim uma menor dissipação de calor e outras medidas de gestão térmica.
Do ponto de vista da fiabilidade, os MOSFET de SiC permitem aos projetistas simplificar a topologia do circuito e as técnicas de controlo, bem como reduzir o número de componentes, o que contribui naturalmente para a redução de custos. Os requisitos de potência mais elevados destes conversores de média potência exigem a utilização de uma tensão de barramento CC mais elevada, normalmente entre 1000 e 1300 V. Ao selecionar transístores de silício para estas elevadas tensões de barramento CC, a eficiência necessária obriga os projetistas a escolher entre algumas arquiteturas de circuitos complexas de três níveis. A Figura 3 mostra o circuito com díodo de bloqueio de ponto neutro (NPC), o circuito com NPC ativo (ANPC) e o circuito tipo T. Em contraste, os MOSFET de SiC de 1700 V permitem aos projetistas ultrapassar estas limitações e regressar ao circuito de dois níveis mais elegante apresentado no lado direito da Figura 3. Isto reduz efetivamente para metade o número de dispositivos e otimiza o controlo.
Figura 3. As topologias de circuitos complexos de três níveis (à esquerda) utilizando IGBTs de silício podem ser simplificadas para a topologia de dois níveis mais elegante e fiável (à direita) utilizando metade (ou menos) dos módulos MOSFET de SiC de 1700 V.
É de salientar a importância da encapsulação de potência e do controlo adequado do gate nos MOSFET de SiC. Como os MOSFET de SiC podem comutar níveis de potência elevados a velocidades muito elevadas, é necessário ter cuidado para evitar picos de tensão e reduzir a emissão de ruído. Os conversores de média potência nestas aplicações comutam frequentemente centenas de amperes num barramento de 1000–1300 V em menos de um microssegundo e requerem a menor indutância possível da encapsulação, drivers de gate inteligentes e de disparo rápido, bem como um layout de sistema otimizado.
A combinação da encapsulação de potência SP6LI com a família de drivers de gate digitais AgileSwitch® da Microchip Technology oferece aos designers soluções prontas a utilizar, permitindo extrair o máximo desempenho dos MOSFET de SiC de 1700 V com facilidade.
Megawatts
Para aplicações de potência de múltiplos megawatts, os principais fatores de projeto são a facilidade de escalabilidade e a manutenção mínima, o que incentiva a utilização de soluções modulares baseadas numa célula unitária básica. Como se pode observar na Figura 4, estas células, por vezes designadas por blocos eletrónicos de potência ou submódulos, são configuradas como conversores de meia ponte em cascata ou conversores modulares multinível (MMCs). As aplicações à escala de megawatts incluem transformadores de estado sólido (SSTs), sistemas CC de média tensão distribuídos, sistemas de tração em veículos comerciais e pesados, inversores solares centrais e conversores para turbinas eólicas offshore, bem como sistemas de conversão de energia em navios.
Historicamente, os dispositivos semicondutores de potência utilizados nestas células unitárias têm sido IGBTs de silício de 1200–1700 V. Tal como em aplicações de menor potência, a utilização de MOSFETs de SiC de 1700 V ao nível da célula expande a sua capacidade de gestão de potência e o desempenho elétrico. Como referido anteriormente, os MOSFET de SiC de 1700 V têm perdas de condução muito mais baixas, permitindo frequências de comutação mais elevadas e uma redução significativa do tamanho de cada célula unitária. Além disso, a elevada tensão de bloqueio de 1700 V diminui o número de células unitárias necessárias para a mesma tensão de barramento CC, aumentando a fiabilidade do sistema e reduzindo o custo.
Figura 4. (Esquerda) Conversor modular multinível com múltiplas células para atingir a potência necessária e (direita) dois exemplos de como uma configuração simples de célula unitária de dois níveis pode ser utilizada com MOSFETs de SiC de 1700 V.
Resumo:
A chegada dos MOSFETs de SiC de 1700 V é benéfica para uma variedade de aplicações e equipamentos de utilizador final, oferecendo maior fiabilidade a um custo reduzido, além de possibilitar conversores mais pequenos, mais leves e mais eficientes. Dos watts aos megawatts, os MOSFET de SiC de alta tensão permitem aos designers ultrapassar as limitações do silício e introduzir melhorias significativas nos sistemas de conversão de energia. Juntamente com os dispositivos de potência de SiC mais robustos do mercado, a embalagem de potência avançada com indutância parasita ultrabaixa e os drivers de gate digitais ajudam os designers a tirar o máximo partido do SiC e a acelerar o tempo de lançamento no mercado.
A Microchip Technology expandiu o seu portfólio de SiC com a introdução de MOSFETs de SiC de 3,3 kV
com a menor resistência de condução [RDS(on)] do mercado e de díodos Schottky de SiC (SBDs) com a maior capacidade de corrente, permitindo aos designers tirar o máximo partido da sua robustez, fiabilidade e desempenho. Os MOSFETs e SBDs de 3,3 kV da Microchip complementam a extensa gama de produtos de SiC da empresa, que consiste em dispositivos discretos não encapsulados, módulos e drivers de porta digital de 700 V, 1200 V e 1700 V.
AUTORES: Xuning Zhang e Kevin Speer, Microchip Technology
