Módulos de energia de carbeto de silício

O carbeto de silício (SiC) é um novo material inovador para aplicações de energia que promete aumentar a eficiência do sistema e, ao mesmo tempo, diminuir o tamanho, o peso e o formato do sistema. Três vezes mais condutivo termicamente do que o silício e com menores perdas de comutação, ele permite temperaturas operacionais mais altas e tensões maiores.

Os módulos SiC vêm em formas 2 em 1 que simplificam a configuração de circuitos de meia ponte, tornando-os perfeitos para inversores de tração HEV/EV ou qualquer missão com longos períodos de demanda de corrente máxima.

Alta eficiência

Os dispositivos de potência de carbeto de silício (SiC) são uma das melhores maneiras de minimizar as perdas do sistema em aplicações de alta potência. Seu amplo bandgap permite frequências e tensões de comutação mais altas para aumentar a eficiência e, ao mesmo tempo, diminuir o tamanho dos componentes passivos. O SiC também apresenta uma operação mais robusta em ambientes exigentes, pois é três vezes mais condutivo termicamente do que o silício.

Os dispositivos de energia SiC discretos podem ser utilizados em uma ampla variedade de aplicações industriais, mas às vezes são necessárias classificações de corrente mais altas para sistemas críticos, como fontes de alimentação ininterruptas e carregadores de bateria. A Mitsubishi Electric lançou módulos de energia de segunda geração de 1200 V que oferecem as vantagens da tecnologia SiC completa para aplicações com requisitos de corrente maiores do que os dispositivos discretos podem oferecer em um pacote fácil de usar.

Esses módulos usam MOSFETs de SiC com estruturas de meia ponte e são adequados para várias topologias de conversor, como inversores CC/CC, bidirecionais e CA/CA. Quando comparados aos dispositivos de silício convencionais, esses módulos podem reduzir as perdas de comutação em até 70% e, consequentemente, economizar energia.

Esses módulos são construídos com recursos de alta confiabilidade para atender aos padrões de qualidade automotivos e industriais, incluindo testes de queima de porta em nível de wafer e estresse de drenagem HTRB para diminuir as taxas de falhas extrínsecas; as classificações de curto-circuito os tornam adequados para aplicações críticas de segurança; seu design robusto permite a operação em até 230 ºC com altas tensões de ruptura e tempos de recuperação rápidos que ajudam a reduzir riscos como avalanches ou disparos.

O SiC é um material ideal para acionamentos de motores, pois é capaz de suportar temperaturas mais altas do que os dispositivos tradicionais de silício e, ao mesmo tempo, aumentar a densidade de potência e melhorar o desempenho ao longo do tempo. Além disso, a resistência do SiC à degradação causada pelo calor significa maior eficiência por longos períodos.

O módulo semicondutor de potência full-SiC de 6,5kV da Mitsubishi Electric atingiu níveis de densidade de potência líderes no mundo. Isso poderia possibilitar equipamentos de energia menores e mais eficientes em termos de energia para sistemas de tração de vagões ferroviários ou redes de transmissão e distribuição de eletricidade; além disso, ele apresenta controle descentralizado que permite que vários módulos sejam combinados em um módulo de energia maior para facilitar o projeto do sistema.

Corrente de fuga baixa

Os semicondutores de potência de carbeto de silício (SiC) têm se tornado cada vez mais populares devido à sua capacidade de economizar energia em produtos eletrônicos de potência. Os dispositivos de SiC são muito mais eficientes em termos de energia do que seus equivalentes de silício devido a um bandgap mais amplo, que requer menos energia para que os elétrons passem da banda de valência para a banda de condução, e operam em temperaturas e tensões mais altas com perdas de comutação reduzidas.

Os módulos de potência baseados em SiC oferecem muitas vantagens que os tornam a solução ideal para aplicações que exigem maior eficiência, velocidades de comutação mais rápidas e maior confiabilidade, como inversores, carregadores de veículos elétricos, inversores solares e acionamentos de motores. Infelizmente, sua alta temperatura pode resultar em maior estresse na junta de solda do chip-substrato; com o tempo, esse estresse repetitivo pode degradá-la e reduzir significativamente sua vida útil.

A Vincotech apresentou uma solução inovadora que aumenta drasticamente a capacidade de ciclo de energia dos dispositivos SiC, como os fabricados pela própria Vincotech. Ao adicionar uma junta especial de solda chip-substrato, os módulos agora podem ser testados em temperaturas mais altas e com perfis de missão mais exigentes sem comprometer o desempenho ou a confiabilidade.

A plataforma de módulos de energia SiC da empresa é composta por módulos de 3300 V com MOSFETs SiC de meia ponte com drivers de porta integrados e circuitos de medição, bases leves de AlSiC para estabilidade mecânica, capacidade de operação em temperatura de junção contínua de 175 graus Celsius e substrato de nitreto de silício de alta condutividade térmica para oferecer desempenho elétrico superior em ambientes adversos.

Esses novos módulos vêm embalados em um atraente pacote de 10 mm x 5 mm, o que os torna adequados para aplicações com restrições de espaço, como as automotivas e aeroespaciais, e, usando sua tecnologia de combinação e empacotamento, podem facilmente se tornar parte de um sistema integrado.

Atualmente, a Imperialx está usando esses novos módulos em vários protótipos de conversores de energia para demonstrar sua capacidade de fornecer comutação mais rápida, maior eficiência e redução do custo total do sistema em aplicações de conversão de energia. Eles apresentam mecanismos de proteção ajustáveis para proteger contra condições perigosas, o que os torna uma excelente solução para aplicações de engenharia que precisam de uma implementação rápida de conversores em escala reduzida, como no ensino ou na pesquisa.

Alta tensão

O silício é o material de referência para os semicondutores de potência, mas outros materiais com propriedades superiores, como o nitreto de gálio e o carbeto de silício (SiC), oferecem melhor eficiência em temperaturas e tensões mais altas, permitindo maior capacidade de manuseio de potência em espaços menores com requisitos de resfriamento reduzidos para sistemas integrados de potência com eficiência energética. Além disso, menos calor é perdido durante a conversão, diminuindo assim os requisitos de resfriamento e, ao mesmo tempo, tornando tudo muito mais eficiente em termos de energia em geral.

O SiC oferece uma resistência dielétrica 10 vezes maior que a do silício, permitindo que os dispositivos operem em tensões mais altas sem sofrer danos ou gerar calor excessivo - ideal para aplicações em infraestrutura de carregamento e redes inteligentes que exigem altos níveis de tensão.

Os módulos de potência SiC de 10 kV da Imperialx apresentam indutância de loop de comutação mais baixa do que os MOSFETs de silício Si tradicionais e apresentam baixas taxas de capacitância Miller para maiores velocidades de comutação e maior eficiência nos projetos. Além disso, esses módulos foram projetados especificamente para facilitar o paralelismo, bem como a compatibilidade com projetos de gate drive padrão.

Os PowerModules SiC de 10 kV da Imperialx oferecem uma interface atraente entre módulo de potência e sistema que pode reduzir o custo geral do sistema. Além disso, seu encapsulamento aumenta a confiabilidade e diminui as perdas de energia em temperaturas elevadas, ajudando a reduzir os custos gerais do sistema.

Com invólucros padrão do setor, tecnologias de empacotamento sofisticadas e os mais novos chips SiC combinados para produzir módulos de energia SiC totalmente otimizados para aproveitar todos os seus benefícios, os módulos SiC podem ser aproveitados em uma ampla gama de aplicações, como estações de carregamento de veículos elétricos, carregadores de bordo, conversores CC/CC, e-compressores, células de combustível, fontes de alimentação médicas, inversores fotovoltaicos.

Os módulos de potência ACEPACK DRIVE da Imperialx foram projetados especificamente para atender aos exigentes perfis de missão associados ao carregamento e à atuação de veículos elétricos (EV). Sua construção robusta e confiável é adequada para vibrações de transporte, bem como para condições extremas de temperatura ambiente, com placas internas de classificação de campo e resistores PDIV de alta temperatura para garantir uma operação segura com conexões de barramento curtas e longas - recursos ideais para prototipagem rápida de conversores de energia de alto desempenho, bem como para outras aplicações de pesquisa exigentes.

Baixo peso

Os módulos de potência de SiC são muito menores, mais leves e mais compactos do que seus equivalentes de silício (Si), permitindo que os projetistas criem sistemas com custos totais de lista de materiais (BOM) e de montagem mais baixos.

O carbeto de silício pode oferecer o máximo de benefícios quando integrado a um módulo de potência que tenha sido cuidadosamente projetado. Para maximizar o desempenho desses módulos, seus componentes devem ser projetados de modo a ter resistência térmica mínima - isso permite que o módulo de potência atinja todo o seu potencial e, ao mesmo tempo, evita falhas precoces devido ao envelhecimento eletrotérmico.

Os módulos de potência formam a espinha dorsal dos sistemas de conversão de energia elétrica. Eles são empregados em uma série de aplicações, desde inversores e estações de carregamento de veículos elétricos, passando por sistemas de energia industriais e aeronáuticos, até casos de uso militar. Os dispositivos semicondutores de potência SiC são ótimas opções, pois oferecem eficiência superior e, ao mesmo tempo, são econômicos, leves e exigem pouca manutenção.

Os dispositivos de carbeto de silício não só oferecem maior eficiência e menores custos de BOM, mas também podem operar em frequências de comutação mais altas do que seus equivalentes de silício, dando aos engenheiros mais espaço para projetar soluções com maior densidade de potência, menores perdas de condução, resposta transitória mais rápida e robustez.

Os módulos de potência ACEPACK DRIVE apresentam uma solução de resfriamento líquido direto com MOSFETs de carboneto de silício de alto desempenho e drivers de porta em um pacote IGBT de tamanho médio para facilitar o layout, a montagem e os altos níveis de confiabilidade. Os engenheiros podem tirar proveito disso para obter mais potência em menos espaço com maior facilidade e, ao mesmo tempo, simplificar os procedimentos de layout e montagem para aumentar a produção.

O módulo de alimentação ACEPACK DRIVE apresenta excelente desempenho em termos de temperatura com sua pilha térmica que ajuda a reduzir a corrente de fuga no estado e na porta em 20% ou mais, para maior densidade de potência, menor dissipação de calor e maior confiabilidade, além de atender aos exigentes requisitos de vida útil.

A plataforma MOSFET de potência de carbeto de silício SEMITOP E1/E2 inclui várias gerações de chips em diversas topologias, como sixpack, meia ponte e ponte H; isso torna a série SEMITOP uma das soluções de módulo de potência de SiC mais avançadas do mercado. Além disso, um de seus coeficientes de temperatura RDS(on) está entre os mais baixos disponíveis no mercado, o que faz com que essa série esteja entre os módulos de potência mais avançados em oferta.