No entanto, os MOSFET de SiC de 650 V oferecem um excelente desempenho com um fator de mérito RDS(ON)*Qg competitivo e uma carga de recuperação inversa mínima. Isto torna o SiC uma excelente alternativa aos MOSFET de silício em de comutação brusca,como a correção do fator de potência totem-pole (TPPFC) ou o boost síncrono. Alguns engenheiros acreditam que o SiC não é adequado para aplicações de alta frequência e que o GaN deveria ser utilizado em seu lugar para comutação rápida. Contudo, avanços tecnológicos recentes reduziram a área do chip de SiC, aumentando ainda mais a sua adequação para operação em alta frequência (>100 kHz). Como resultado, os dispositivos de SiC são agora utilizados com sucesso em aplicações como o TPPFC de 100 kHz e de comutação suave em frequências entre 200 e 300 kHz. Além disso, as tecnologias emergentes, como os MOSFETs de SiC com estrutura de trincheira e cascode, irão melhorar ainda mais o seu desempenho a alta frequência. Por fim, outros engenheiros acreditam que o SiC é uma tecnologia de nicho, baseada no seu sucesso nos inversores de tração para veículos elétricos. No entanto, a necessidade de uma maior densidade de potência e de uma operação eficiente em praticamente todos os setores significa que as vantagens do SiC também podem beneficiar uma vasta gama de projetos menos complexos, como carregadores de bordo para veículos elétricos (OBCs), módulos solares fotovoltaicos (PV) e aplicações de energia renovável, bem como computação em nuvem.
Figura 1: Imagem de uma pastilha de SiC
Seleção e Operação do Dispositivo:
Muitos projetistas utilizam uma tensão de desligamento negativa no gate para evitar que os dispositivos de SiC "oscilem" ou liguem inadvertidamente devido a transitórios de comutação, mas este não é um requisito estrito. Muitos projetos de SiC bem-sucedidos não têm tensão de gate negativa. No entanto, como em todos os projetos, devem ser seguidas boas práticas, como um projeto compacto que minimize os efeitos parasitas. Além disso, o driver de gate deve ser capaz de fornecer corrente suficiente para manter o dispositivo firmemente desligado. Um driver de gate com isolamento de junção pode ser aceitável num número limitado de aplicações, como por exemplo TPPFCs. Contudo, deve-se observar que drivers de gate com isolamento galvânico oferecem maior imunidade a ruído e podem lidar melhor com transientes dv/dt do nó de comutação, evitando disparos falsos. Uma vez que os MOSFET de SiC comutam rapidamente e têm uma carga de gate (Qg) mais baixa do que os dispositivos de silício equivalentes, um driver de gate com isolamento galvânico proporciona um design mais robusto, mesmo em aplicações onde não é estritamente necessário. Muitos drivers SiC modernos oferecem características práticas como acionamento de gate negativo, DESAT, OCP, OTP e outras proteções. A seleção do driver de porta correto torna o controlo de um dispositivo SiC tão simples como o controlo de um MOSFET de silício.
Economia, Ecossistema e Cadeia de Abastecimento do SiC:
Existe uma ideia errada de que as soluções de SiC são caras. Comparativamente aos MOSFETs de silício, o preço de um dispositivo de SiC é ligeiramente superior; no entanto, consideremos uma solução de potência típica de 30 kW baseada em silício. Neste caso, 90% do custo total está nos indutores e condensadores (60% e 30%, respetivamente), e os dispositivos semicondutores representam apenas 10% do custo total da lista de materiais (BOM). Suponha que os MOSFET de silício são substituídos por interruptores de SiC. Neste caso, a capacitância e a indutância serão reduzidas em 75%, uma redução significativa de custo (e tamanho) que compensa o aumento do custo dos componentes de comutação. Além disso, os dispositivos de silício oferecem uma eficiência inferior aos dispositivos de SiC, exigindo, por isso, soluções de dissipação de calor dispendiosas e volumosas. Consequentemente, o custo total da lista de materiais de uma solução de SiC é inferior ao de um equivalente em silício.
Economia, Ecossistema e Cadeia de Abastecimento do SiC:
Existe uma ideia errada de que as soluções de SiC são caras. Comparativamente aos MOSFETs de silício, o preço de um dispositivo de SiC é ligeiramente superior; no entanto, consideremos uma solução típica de 30 kW baseada em silício. Neste caso, 90% do custo total está nos indutores e condensadores (60% e 30%, respetivamente), e os dispositivos semicondutores representam apenas 10% do custo total da lista de materiais (BOM). Suponha que os MOSFET de silício são substituídos por interruptores de SiC. Neste caso, a capacitância e a indutância serão reduzidas em 75%, uma redução significativa de custo (e tamanho) que compensa o aumento do custo dos componentes de comutação. Além disso, os dispositivos de silício oferecem uma eficiência inferior aos dispositivos de SiC, exigindo, por isso, soluções de dissipação de calor dispendiosas e volumosas. Consequentemente, o custo total da lista de materiais de uma solução de SiC é inferior ao de um equivalente em silício.
O ecossistema de SiC está a evoluir rapidamente à medida que a tecnologia se torna mais comum. Uma vasta gama de dispositivos de SiC e drivers de gate associados está atualmente disponível, com diversos tipos de encapsulamento para atender a diferentes aplicações. A base de conhecimento sobre o SiC está a expandir-se por toda a indústria, à medida que os fabricantes aumentam o seu apoio através de equipas de engenharia de aplicação, projetos de referência, notas de aplicação, modelos de simulação e ferramentas. A disponibilidade de componentes (não apenas de SiC) tem sido um desafio para alguns setores recentemente. No entanto, após a recente aquisição da GTAT, a cadeia de abastecimento da onsemi tornou-se significativamente mais robusta. A onsemi é o único fornecedor de grande escala com capacidade de fornecimento de SiC de ponta a ponta, incluindo de lingotes de SiC, substrato, fabrico epitaxial, fabrico de dispositivos, módulos integrados de última geração e soluções de encapsulamento discretas. Para suportar o crescimento projetado do SiC nos próximos anos, a onsemi planeia quintuplicar a sua capacidade de fabrico de dispositivos e módulos, duplicando-a efetivamente em todas as unidades de produção até 2023. E, mais uma vez, quase duplicará a sua capacidade em 2024, com potencial para um crescimento adicional, conforme necessário.
Figura 2: Cadeia de abastecimento completa da Onsemi
Robustez a Altas Temperaturas e Altas Tensões:
Os semicondutores de banda larga (WBG) proporcionam uma maior robustez contra avalanches em MOSFETs de SiC, uma vez que a concentração gerada termicamente é muito menor do que em dispositivos de silício. Embora seja verdade que os dispositivos de SiC possuem geometrias mais pequenas, resultando num tempo de resistência a curto-circuitos mais curto em comparação com um IGBT, a utilização de um driver de gate de SiC adequado garante a deteção de falhas e o desligamento do dispositivo com uma ampla margem, permitindo a sua utilização fiável em aplicações robustas. A tensão da bateria de muitos veículos elétricos está a aumentar de 400 V para 800 V ou mesmo 1.000 V. Nos sistemas solares fotovoltaicos (PV), a tensão de entrada está a subir de 600 V para 1.500 V. Para satisfazer esta procura de dispositivos com tensões de rutura mais elevadas, a onsemi desenvolveu uma linha de MOSFETs planares EliteSiC M1 de 1700 V otimizados para aplicações de comutação rápida. Juntamente com estes MOSFETs, a empresa lançou também uma gama de díodos Schottky de SiC de 1700 V.
Figura 3: MOSFET planar EliteSiC M1 de 1700 V
Conclusão
Após a análise de dispositivos de silício e carboneto de silício através de diversas métricas, é evidente que muitas conceções erróneas generalizadas carecem de um fundamento real e que os engenheiros podem ter confiança ao selecionar e aplicar esta tecnologia versátil nos seus projetos.
Autor: Ajay Hari, Diretor de Aplicações, onsemi
