Os inversores e conversores CC/CC e CC/CA tradicionais estão a revelar-se inadequados ou ineficientes para as aplicações mais críticas e desafiantes, como satélites de última geração, drones e aeronaves elétricas. Os módulos de potência de alta densidade têm-se revelado uma solução eficaz para superar estes desafios e alcançar elevados níveis de fiabilidade, densidade de potência e flexibilidade.
Um impulso sem precedentes para todas as aplicações de energia aeroespacial está a vir da terceira geração de semicondutores de banda larga (WBG). O carboneto de silício (SiC) está a inaugurar uma nova era de fontes de alimentação aeroespaciais, caracterizada por soluções energéticas mais eficientes, mais pequenas e mais leves.
Propriedades do SiC:
Embora as propriedades do SiC sejam conhecidas desde o final do século XIX, este material WBG só recentemente começou a ser utilizado como semicondutor. Comparativamente aos dispositivos de potência tradicionais baseados em silício, os MOSFET de SiC exibem um elevado campo elétrico de rutura (3–5 MV/cm, quase 10 vezes superior ao do silício) e uma banda proibida aproximadamente três vezes superior à do silício (3,26 eV vs. 1,11 eV). Além disso, a gestão térmica é melhorada graças à condutividade térmica do SiC, que é cerca de três vezes superior à do silício (4,9 W/cmK vs. 1,5 W/cmK), enquanto a sua resistividade específica é muito inferior à do silício (0,3 mΩ/cm² vs. 400 mΩ/cm² para uma tensão de rutura de 1200 V à temperatura ambiente). A resistência de condução (RDS(on)) dos dispositivos de potência de SiC disponíveis comercialmente pode ser 300 a 400 vezes inferior à de um dispositivo de silício equivalente com a mesma tensão de rutura.
Comparativamente aos seus equivalentes de silício, os MOSFET de silício podem operar a frequências de comutação mais elevadas com menores perdas de condução e potência, permitindo componentes passivos mais pequenos em sistemas de alimentação e soluções de energia mais compactas e leves. Isto, por sua vez, possibilitou a substituição de dispositivos IGBT existentes por MOSFETs de SiC em aplicações de alta potência com restrições de espaço, como na indústria aeroespacial.
Aplicações de SiC no Setor Aeroespacial:
O circuito de acionamento de gate para MOSFETs de SiC requer uma elevada tensão de gate positiva (cerca de 20V) e, dependendo da aplicação, uma tensão de gate-off negativa de −2V a −6V (para imunidade a dV/dt e para alcançar a maior velocidade de desligamento). Juntamente com a baixa capacitância de saída e o baixo RDS(on), isto torna os dispositivos de SiC atrativos para projetos de comutação, como fontes de alimentação, inversores trifásicos, amplificadores e conversores de tensão (CA/CC e CC/CC). A utilização de dispositivos de SiC também reduz significativamente o custo e o tamanho dos componentes magnéticos (transformadores e indutores) utilizados em muitas aplicações de energia aeroespacial.
O conceito de Aeronave Mais Elétrica (MEA) tornou-se muito popular na indústria aeroespacial, visando eletrificar sistemas auxiliares de aeronaves que eram anteriormente alimentados por meios mecânicos, hidráulicos e pneumáticos. A abordagem MEA oferece vantagens significativas, como maior eficiência, custos reduzidos e maior fiabilidade.
Como resultado, estão a ser concebidos novos dispositivos de potência para satisfazer os requisitos da MEA (Aeronave de Média Dimensão), como é o caso dos sistemas de energia CA/CC que requerem conversores eletrónicos para o seu funcionamento.
Diversas funções de conversão de energia exigidas por um sistema de energia da MEA são desempenhadas por conversores CC/CA, como o arranque do motor, o controlo de bombas e geradores e os atuadores de controlo de voo. Para satisfazer estes requisitos exigentes, são necessários conversores CC/CA com uma elevada densidade de potência e capacidade de atingir frequências de comutação elevadas. A eficiência é também um fator crucial, pois permite a redução do tamanho e do peso do conversor, simplificando, assim, a gestão térmica. Devido às suas baixas perdas de condução e comutação, os dispositivos de potência de SiC (carboneto de silício) estão a emergir como candidatos viáveis para substituir os IGBTs (tubos de gás induzidos) e os MOSFETs (transístores de energia para motores de aeronaves) baseados em silício.
Rumo a uma Aviação Limpa e Sustentável:
Toda a indústria aeroespacial ambiciona emissões zero, e por isso está a desenvolver novas tecnologias capazes de emitir menos gases com efeito de estufa e a promover a utilização de combustíveis mais sustentáveis.
Na Europa, o Consórcio Clean Sky, uma aliança entre a Comissão Europeia e a indústria aeroespacial europeia, procura desenvolver tecnologias de transporte aéreo mais limpas, capazes de reduzir as emissões de CO2, NOx e ruído. A IATA (Associação Internacional de Transporte Aéreo) lidera uma iniciativa semelhante e, em Outubro passado, aprovou uma resolução para que o sector do transporte aéreo global atinja emissões líquidas zero de carbono até 2050.
Para satisfazer estes requisitos exigentes, os sistemas de controlo pneumáticos e hidráulicos devem ser gradualmente substituídos por sistemas de controlo eléctricos e hidráulicos de alta eficiência. A maior eficiência é um fator chave para reduzir o consumo de combustível, o peso e o tamanho das aeronaves.
A Microchip
Technology lançou recentemente uma série de módulos de potência CA/CC e CC/CC compactos e leves que oferecem uma maior eficiência de conversão de energia graças à utilização de SiC. As famílias BL1, BL2 e BL3, capazes de fornecer potência de 100 W a 20 kW, foram desenvolvidas em colaboração com o Consórcio Europeu Clean Sky para satisfazer os requisitos de limpeza cada vez mais rigorosos da indústria da aviação. Isto inclui a conformidade com o procedimento de teste RTCA DO-160G ("Condições Ambientais e Procedimentos de Teste para Equipamentos de Aeronaves, Versão G"). Um dispositivo em conformidade com a DO-160G pode operar de forma fiável e precisa em todas as condições de voo.
Os novos módulos de potência (Figura 1) apresentam uma estrutura modificada que reduz o peso em 40% e os custos em 10% em comparação com as soluções convencionais que incorporam placas de base metálicas e requerem um dissipador de calor. Além disso, o seu encapsulamento de baixo perfil e baixa indutância pode ser soldado diretamente à placa de circuito impresso, o que acelera o desenvolvimento e aumenta a fiabilidade.
Figura 1: Módulo de potência BL3 compacto e leve.
Esta família de dispositivos, os primeiros módulos de potência de baixo perfil e baixo peso certificados para aplicações aeroespaciais, é constituída por três tamanhos de módulos de potência (BL1, BL2 e BL3). A configuração padrão integra topologias de 1,2 kV totalmente em SiC com ou sem díodos de roda livre. Estes módulos são fornecidos com MOSFETs de SiC de 75 A e 145 A, IGBTs de 50 A e díodos retificadores de 90 A. Estão também disponíveis soluções personalizadas baseadas em IGBT, contendo dispositivos para tensões de 700 V a 1700 V. Dependendo da versão, suportam diferentes topologias, como ponte completa, ponte assimétrica, ramificação de fase, fonte comum dupla, buck e boost.
A Figura 2 mostra a topologia de ramificação de fase suportada pelo módulo de potência BL1 (1200 V, 79 A, RDS(on) típico de 25 mΩ). O MOSFET de potência de SiC destaca-se pela sua baixa RDS(on) e alta frequência de comutação, enquanto o díodo Schottky de SiC proporciona recuperação inversa e direta nula e comutação independente da temperatura.
Figura 2: Topologia de ramificação de fase suportada pelo módulo de potência BL1.
Os módulos de potência BL2 e BL3 suportam a topologia de ponte completa apresentada na Figura 3. Estes módulos são caracterizados por uma tensão dreno-fonte de 1,2 kV, uma corrente de dreno contínua até 150 A à temperatura ambiente (corrente de dreno pulsada até 300 A) e uma resistência dreno-fonte no estado ligado a partir de 16 mΩ. O MOSFET de SiC incorpora uma fonte Kelvin para facilitar o controlo, e os díodos Schottky de SiC também oferecem recuperação inversa e direta nulas. A potência máxima é de 560 W, enquanto a tensão máxima porta-fonte é de -10 V (desligado) e 24 V (ligado).
Figura 3: Topologia de ponte completa (ramo de fase dupla) disponível nos módulos BL2 e BL3.
Testes de Validação:
Todos os módulos de potência BL1, BL2 e BL3 foram submetidos a testes de validação pela Microchip para demonstrar a sua adequação a aplicações aeroespaciais, cumprindo os níveis de fiabilidade, desempenho e eficiência exigidos. O procedimento de ensaio, baseado na norma RTCA DO-160G e em conformidade com as condições ambientais da aviação civil, incluiu ensaios paramétricos em toda a gama de tensão, corrente e temperatura (-55 °C, 25 °C e 125 °C), ensaios de descarga parcial (máx. 10 pC a 1200 V CA), ensaios de alta tensão (3 kV CA) e ensaios de resistência de isolamento (>100 Ω MR a 500 V CC).
Estes testes foram realizados pela Microchip Technology:
• Teste de polarização da porta a alta temperatura. O objetivo deste teste, realizado com VGS = 20 V e
VGS = –8 V, é verificar se o desempenho do dispositivo não é afetado pela polarização da porta a alta temperatura. A uma temperatura de junção de 175 °C, as medições de Vth antes e depois de 1000 horas de polarização da porta a alta temperatura apresentam variações insignificantes.
• Ciclagem térmica. O objetivo deste teste é avaliar a resistência do dispositivo a temperaturas extremas, tanto altas como baixas. As análises por raios X e microscopia eletrónica de varrimento, realizadas após 1000 ciclos (ver Figura 4), não mostram degradação na junta de soldadura ou no substrato que possa afetar o desempenho do dispositivo.
• Vibração e choque. Após a fixação dos módulos de potência a uma placa montada num gerador de vibrações, foi verificado o nível de vibração e de choque nos três eixos.
• Polarização em modo chopper (CMB). O objetivo deste teste é verificar a robustez do dispositivo quando opera em modo chopper a alta temperatura. As condições de ensaio foram as seguintes: VGS = –5 V, frequência de comutação = 20 kHz, ciclo de trabalho = 0,5, T = 150 °C, duração do ensaio = 1000 horas. A Figura 5 mostra o gráfico do teste CMB após 1000 horas (200 V/div).
• Descarga parcial. Este ensaio visa verificar a condição de isolamento do dispositivo em ensaio e é importante para módulos de potência de SiC, que operam a tensões elevadas e taxas de variação de tensão (dV/dt) elevadas.
• Simulações e medições térmicas. A simulação térmica determina os valores de resistência térmica e impedância térmica do dispositivo em teste, enquanto a medição térmica confirma a resistência térmica entre a junção e o dissipador de calor calculada durante a simulação. O interruptor de teste, previamente preparado com uma encapsulação modificada (ver Figura 6), foi ativado e um gerador de corrente constante provocou um aumento da temperatura da junção para calcular a resistência térmica. Os resultados das medições confirmaram as simulações térmicas.
Figura 4: Análise de raios X antes e depois dos 1000 ciclos de temperatura.
Figura 5: Gráfico do teste CMB.
Figura6: Configuração para medições térmicas.
Todos os testes realizados pela Microchip foram aprovados, demonstrando assim a fiabilidade dos módulos de potência de baixo perfil e baixo peso, bem como a adequação desta tecnologia para as aplicações mais exigentes em aeronaves.
Autor: Alain Calmels, Engenheiro de Design, Microchip Technology
