Recentemente, o carboneto de silício (SiC) tem sido cada vez mais utilizado em transportes públicos, fontes de alimentação auxiliares, carregadores de baterias e sistemas de propulsão, cada um dos quais requer uma refrigeração otimizada, maior eficiência e dimensões reduzidas. Um fator comum é a crescente necessidade de dispositivos e ecossistemas com utilização intensiva de largura de banda para aplicações de alta tensão.
Porquê a banda larga?
Este artigo centra-se nas tecnologias que facilitam a eletrificação sustentável dos transportes, ajudando os projetistas de sistemas a adotar o SiC de forma fácil, rápida e segura.
A pandemia expôs as políticas energéticas de diferentes nações: alguns países dependem fortemente da energia nuclear, enquanto outros investem em energias renováveis, como a solar e a eólica, ou em fontes não renováveis.
Seja qual for a fonte, é importante utilizar a energia de forma sustentável. No ano passado, os fabricantes de equipamento original apresentaram uma solução isenta de emissões com comboios movidos a células de combustível, enquanto outros experimentaram sistemas híbridos.
Do ponto de vista da eletrónica de potência, a escolha entre um sistema totalmente elétrico ou híbrido determinará a tensão de rutura do semicondutor de potência. A Microchip oferece uma linha robusta de semicondutores de potência SiC de 700 V a 3300 V, juntamente com drivers de gate otimizados para extrair o máximo desempenho destes dispositivos.
Focar na Eficiência:
Para qualquer sistema, a eficiência é definida como a potência de saída/potência de entrada; a diferença entre as duas perde-se sob a forma de calor. Num semicondutor de potência, dois fatores contribuem para as perdas: a condução e a comutação.
Os semicondutores de potência que conduzem corrente são designados por transístores bipolares de porta isolada de silício (IGBTs), que possuem uma maior componente de perda de comutação. Os MOSFET de SiC, por outro lado, podem ser ligados e desligados muito mais rapidamente, resultando numa redução drástica das perdas de comutação. 
Figura 1: Comparação das diferentes técnicas de controlo de porta
Mas será este o máximo que se pode extrair do SiC? Parece que não. Com técnicas de controlo de portas digitais, como a comutação aumentada, as perdas podem ser ainda mais reduzidas.
Melhoria de desempenho com SiC e comutação melhorada:
Foi realizado um estudo comparativo no qual foi testado um módulo de potência SiC num pacote industrial padrão (62 mm). Apenas os drivers de gate foram modificados, enquanto todos os outros parâmetros se mantiveram iguais. Um dos drivers de gate utilizava uma tecnologia de comutação melhorada, enquanto o outro era um driver analógico convencional que utilizava resistências de gate para controlar dv/dt e di/dt. A análise é apresentada com uma função de custo desenvolvida pela Universidade do Arkansas [2].
A análise da fronteira de Pareto é apresentada através da seguinte equação para a barra de cores.
Factor de ponderação α=0,5, β=0,5; α + β = 1, em que α é a perda de comutação e β é o sobreimpulso de corrente Id no estado ligado ou o sobreimpulso de tensão Vds no estado desligado.
Quanto menor for a função de custo, melhor será o desempenho global do dispositivo SiC.
Definições de passos melhoradas para um melhor desempenho
: Passo de ativação: 0,5 V 40 ns;
Passo de desativação 1: 3,5 V 240 ns;
Passo de desativação 2: 1,5 V 240 ns
A linha vermelha em ambos os gráficos representa a linha de base alcançável utilizando uma abordagem analógica e modificando apenas os resistores de porta. Podem existir outros valores de resistências de porta que definam melhor a curva, mas com base na nossa análise de 10 valores, acreditamos que a extrapolação aqui apresentada é precisa.
Resultados de ativação
O gráfico seguinte representa a sobretensão de corrente em amperes versus a perda de potência de comutação em milijoules.
O melhor desempenho é obtido com a configuração de comutação aumentada para 0,5 V 40 ns e Rg(on) de 0,5 Ω, com uma redução de 8% na sobretensão de corrente e uma redução de 25% no Eon, em comparação com a utilização de um controlador analógico com Rg(on) de 1,1 Ω.
Uma sobrecorrente mais elevada resulta, geralmente, numa relação de zumbido e di/dt mais elevadas, que podem interagir com outras áreas do sistema.
Resultados de Desligamento:
Os resultados de desligamento são interessantes, pois os resultados obtidos com a comutação aumentada aproximam-se dos obtidos com um controlador analógico simples com resistências de porta. Num sistema em que a tensão nominal de funcionamento do barramento CC era de 750 V e a máxima era de 800 V, foi utilizado um dispositivo semicondutor de 1200 V, resultando numa margem de surto de tensão de 400 V. Quando estas restrições são aplicadas, é evidente que a utilização da comutação aumentada proporciona resultados significativamente melhores. O melhor equilíbrio é alcançado utilizando a configuração de comutação aumentada de 3 V 240 ns, 1,5 V 240 ns e Rg(off) de 1,1 Ω, resultando numa redução de 10% no sobreimpulso de Vds e numa redução de 14% no Eoff em comparação com a utilização de um driver analógico com Rg(off) de 4,7 Ω.
Figura 4. Comparação da desconexão utilizando um excitador analógico com controlo de Rg versus um excitador de porta digital com comutação aumentada.
Redução de ruído:
Os gráficos acima mostram as perdas de comutação em função da corrente ou da sobretensão e fornecem uma visão geral do que pode ser alcançado através do ajuste dos drivers de gate. Um benefício adicional do aumento da comutação é a redução do ruído em Vds e Vgs. Isto pode ser conseguido controlando a inclinação da comutação na ativação e desativação. O método e os benefícios serão explorados em detalhe noutro artigo.
Controlo de dv/dt em sistemas de propulsão.
Nas aplicações que requerem dispositivos de banda larga para acionar motores, um parâmetro crítico é o dv/dt durante a comutação. Um dv/dt elevado pode danificar os enrolamentos do motor, pelo que a sua limitação é importante.
Com um driver de gate analógico, isto é conseguido aumentando o Rg(on), com o custo de maiores perdas de comutação.
Parece existir uma forte correlação entre a indutância do encapsulamento de SiC e os resultados desta análise comparativa em curso.
Resumo:
A utilização de MOSFETs de SiC resulta em melhorias significativas na eficiência, como mostrado na Figura 1. A eficiência pode ser ainda melhorada com a utilização de comutação aumentada.
No nosso caso de estudo, nas mesmas condições de funcionamento, foi demonstrado que a comutação aumentada reduz as perdas totais de comutação em 12% em comparação com um controlador analógico.
Figura 5: IGBT vs SiC vs SiC com aumento de comutação
AUTORES: Nitesh Satheesh - Engenheiro Técnico e Vipin Gaonkar - Engenheiro Sénior, Microchip Technology India Pvt Ltd
