Como tornar a infraestrutura de energia mais eficiente e confiável ao mesmo tempo em que reduz os custos

Os projetistas de infraestrutura de energia, desde estações de carregamento de veículos elétricos (EV) e inversores solares até armazenamento de energia e sistemas de alimentação ininterrupta, são continuamente desafiados a reduzir a pegada de carbono, melhorar a confiabilidade e reduzir os custos.

Para atingir estes objetivos, eles precisam olhar atentamente para ver como podem otimizar suas soluções de conversão de energia para reduzir as perdas de condução e chaveamento, manter um bom desempenho térmico, reduzir o fator de forma geral e diminuir a interferência eletromagnética (EMI). Eles também devem garantir que a solução escolhida seja capaz de atender ao processo de aprovação de peças de produção (PPAP) e ser qualificada para o AEC-Q101.

Para enfrentar estes desafios, os projetistas podem recorrer a uma variedade de MOSFETs de carbeto de silício (SiC), diodos Schottky de SiC, CIs acionadores de porta — "gate driver" em inglês — e módulos de energia.

Este artigo analisa brevemente como a tecnologia de SiC pode aumentar a eficiência e a confiabilidade e reduzir os custos, em comparação com as abordagens clássicas de silício (Si). Em seguida, analisa as opções de encapsulamento e integração de sistemas para SiC antes de introduzir vários exemplos do mundo real da onsemi e mostrar como os projetistas podem aplicá-los da melhor forma possível para otimizar MOSFETs de potência em SiC e o desempenho do acionador de porta para enfrentar o desafio da infraestrutura de energia.

SiC vs Si

SiC é um material de banda proibida larga (WBG), com uma banda proibida de 3,26 elétrons volts (eV) em comparação com a banda proibida de 1,12 eV do Si. Também oferece 10X a capacidade do campo de ruptura, mais de 3x a condutividade térmica, e pode operar a temperaturas muito mais altas em comparação com o Si. Essas especificações tornam o SiC bem adequado para uso em aplicações de infraestrutura de energia (Tabela 1).

Tabela 1: As propriedades do material de 4H-SiC em comparação com o Si tornam o SiC bem adequado para uso em aplicações de infraestrutura de energia. (Fonte da imagem: onsemi)

O campo de ruptura mais alto permite que dispositivos de SiC mais finos tenham a mesma tensão nominal que dispositivos de Si mais grossos, e os dispositivos de SiC mais finos têm uma resistência de condução correspondentemente mais baixa e uma capacidade de corrente mais alta. O parâmetro de mobilidade do SiC está na mesma ordem de grandeza do Si, tornando ambos os materiais utilizáveis na conversão de energia de alta freqüência, o que suporta fatores de forma compactos. Sua maior condutividade térmica significa que os dispositivos de SiC experimentam um menor aumento de temperatura em níveis de corrente mais altos. A temperatura de operação dos dispositivos de SiC é limitada por fatores dos encapsulamentos, tais como as ligações de fios, e não pelas características do material de SiC. Como resultado, a seleção do estilo de encapsulamento ideal é uma consideração importante para os projetistas ao utilizar o SiC.

As características do material de SiC fazem dele uma escolha superior para muitos projetos de conversão em alta tensão, alta velocidade, alta corrente e alta densidade de potência. Em muitos casos, a questão não é se usar SiC, a questão é o que a tecnologia de encapsulamento em SiC proporciona em relação a compensação do melhor desempenho e custos.

Os projetistas têm três opções básicas de encapsulamentos ao utilizar a tecnologia de potência em SiC; dispositivos discretos, módulos inteligentes de potência (IPMs) ou módulos de potência integrados (PIMs), cada um dos quais oferece um conjunto único de compensações de custo e desempenho (Tabela 2). Por exemplo:

• Os dispositivos discretos são geralmente preferidos quando o custo é uma consideração primária, como as aplicações do consumidor. Eles também dão suporte a fonte dupla e têm uma longa vida útil.
• As soluções IPM reduzem o tempo de projeto, têm a mais alta confiabilidade e são as soluções mais compactas para níveis moderados de potência.
• Os PIMs podem suportar projetos de maior energia com boas densidades de potência, tempo de comercialização razoavelmente rápido, uma grande variedade de opções de projeto e mais oportunidades para fonte dupla, em comparação com os IPMs.

Tabela 2: Comparação de características de integração e compensações ao escolher entre soluções de encapsulamento em SiC discreto, IPM e PIM. (Fonte da imagem: onsemi)

IPMs híbridos de Si/SiC

Embora seja possível desenvolver soluções usando apenas dispositivos de SiC, às vezes é mais econômico usar projetos híbridos de Si/SiC. Por exemplo, o IPM híbrido NFL25065L4BT da onsemi combina IGBTs de Si de quarta geração com um diodo de reforço em SiC na saída para formar um estágio de entrada da correção do fator de potência (PFC) intercalado para aplicações de consumo, industriais e médicas (Figura 1). Este IPM compacto inclui um acionador de porta otimizado para os IGBTs para minimizar EMI e perdas. Os recursos de proteção integrada incluem bloqueio de subtensão, desligamento por sobrecorrente, monitoramento térmico e relatório de falhas. Outras características do NFL25065L4BT incluem:

• PFC bifásico intercalado de 600 volts/50 amperes (A)
• Otimizado para frequência de chaveamento de 20 quilohertz (kHz)
• Baixa resistência térmica utilizando substrato de cobre de ligação direta de óxido de alumínio (DBC)
• Termistor integrado de coeficiente negativo de temperatura (NTC) para monitoramento de temperatura
• Dimensionamento de isolação de 2500 volts eficazes (rms)/1 minuto
• Certificação UL

Figura 1: O IPM NFL25065L4BT forma um estágio PFC intercalado usando IGBTs de Si de quarta geração com um díodo de reforço em SiC na saída. (Fonte da imagem: onsemi)

PIMs de SiC

Para inversores solares, estações de carregamento EV e aplicações similares que podem se beneficiar do uso de um PIM baseado em SiC para maximizar o fornecimento de energia com menor pegada e menor volume total, os projetistas podem recorrer ao NXH006P120MNF2PTG. Este dispositivo compreende uma meia ponte MOSFET de SiC de 6 miliohm (mΩ) e 1200 volts, e um termistor NTC integrado em um invólucro F2 (Figura 2). As opções de invólucro incluem:

• Com ou sem material de interface térmica pré-aplicada (TIM)
• Pinos soldáveis ou pinos de encaixe sob pressão

Figura 2: O módulo de potência integrado NXH006P120MNF2PTG vem em um invólucro F2 com pinos de encaixe sob pressão. (Fonte da imagem: onsemi)

Estes IPMs têm uma temperatura máxima de operação de 175 graus Celsius (°C) e exigem controle externo e acionadores de porta. A tecnologia opcional do encaixe sob pressão, também chamada de solda a frio, proporciona uma conexão confiável entre os pinos e os furos passantes metalizados na placa de circuito impresso. O encaixe sob pressão proporciona uma montagem simplificada sem solda e produz uma conexão metal-metal estanque ao gás e de baixa resistência.

Diodos Schottky de SiC

Os diodos Schottky de SiC podem ser usados em combinação com IPMs, ou em projetos 100% discretos, e proporcionam melhor desempenho de chaveamento e maior confiabilidade em comparação com os diodos de Si. Os diodos Schottky de Si, como o NDSH25170A de 1700 volts/25 A, não têm corrente de recuperação reversa, excelente desempenho térmico e características de chaveamento independente da temperatura. Estes se traduzem em maior eficiência, frequências de chaveamento mais rápidas, maiores densidades de potência, menor EMI e fácil paralelismo, tudo isso contribui para reduzir o tamanho e o custo da solução (Figura 3). As características do NDSH25170A incluem:

• Temperatura máxima da junção de 175 °C
• Dimensionamento de avalanche de 506 milijoules (mJ)
• Corrente de surto não repetitiva de até 220 A e correntes de surto repetitivas de até 66 A
• Coeficiente positivo de temperatura
• Sem recuperação reversa e sem recuperação direta
• Qualificação AEC-Q101 e capacidade PPAP

Figura 3: O diodo Schottky de SiC de 1700 volts/25 A NDSH25170A não tem corrente de recuperação reversa, excelente desempenho térmico e características de chaveamento independente da temperatura. (Fonte da imagem: onsemi)

MOSFETs discretos de SiC

Os projetistas podem combinar Schottkys discretos de SiC com os MOSFETs de 1200 V em SiC da onsemi, que também têm um desempenho de chaveamento superior, menor resistência de condução e maior confiabilidade em comparação com os dispositivos de Si. O tamanho compacto do chip dos MOSFETs de SiC produz baixa capacitância e carga na porta. Combinados com sua baixa resistência de condução, a menor capacitância e carga na porta ajudam a aumentar a eficiência do sistema, permitem frequências mais rápidas de chaveamento, aumentam as densidades de potência, reduzem a interferência eletromagnética (EMI) e permitem fatores de forma menores da solução. Por exemplo, o NTBG040N120SC1 é dimensionado para 1200 volts e 60 A, e vem em um invólucro de montagem em superfície D2PAK-7L (Figura 4). Os recursos incluem:

• Carga típica na porta de 106 nanocoulombs (nC)
• Capacitância típica de saída de 139 picofarads (pF)
• Teste de avalanche a 100%
• Operação a 175 °C na temperatura de junção
• Qualificação AEC-Q101

Figura 4: O MOSFET de SiC NTBG040N120SC1 é dimensionado para 1200 volts/60 A, tem uma resistência de condução de 40 mΩ, e vem em um invólucro de montagem em superfície D2PAK-7L. (Fonte da imagem: onsemi)

Acionador de porta do MOSFET de SiC

Os acionadores de porta para MOSFETs de SiC, como a linha onsemi NCx51705, fornecem uma tensão de acionamento maior do que os acionadores para MOSFETs de Si. É necessária uma tensão de porta de 18 a 20 volts para ativar totalmente um MOSFET de SiC, em comparação com menos de 10 volts necessários para ativar um MOSFET de Si. Além disso, os MOSFETs de SiC exigem -3 a -5 volts de acionamento da porta ao desligar o dispositivo. Os projetistas podem usar o acionador NCP51705MNTXG simples de alta velocidade, 6 A no lado de baixa, otimizado para MOSFETs de SiC (Figura 5). O NCP51705MNTXG fornece a máxima tensão nominal de acionamento para permitir baixas perdas na condução, e fornece altas correntes de pico durante a ativação e a desativação para minimizar as perdas de chaveamento.

Figura 5: Esquema simplificado mostrando dois CIs acionadores NCP51705MNTXG (centro à direita) controlando dois MOSFETs de SiC (à direita) em uma topologia de meia ponte. (Fonte da imagem: onsemi)

Os projetistas podem usar a bomba de carga integrada para gerar uma trilha de tensão negativa selecionável pelo usuário para proporcionar maior confiabilidade, imunidade dv/dt aprimorada e desligamento mais rápido. Em projetos isolados, uma trilha de 5 volts acessível externamente pode alimentar o lado secundário de optoisoladores digitais ou de alta velocidade. As funções de proteção no NCP51705MNTXG incluem desligamento térmico com base na temperatura da junção do circuito do acionador, e monitoramento do bloqueio de subtensão da alimentação de polarização.

Considerações sobre a placa de avaliação e acionamento de porta do SiC

Para acelerar o processo de avaliação e projeto, os projetistas podem usar a placa de avaliação NCP51705SMDGEVB (EVB) para o NCP51705 (Figura 6). O EVB inclui um acionador NCP51705 e todos os circuitos de acionamento necessários, incluindo um isolador digital na placa e a capacidade de soldar qualquer MOSFET de SiC ou Si em um invólucro TO-247. O EVB é projetado para uso em qualquer aplicação de chaveamento de potência no lado de baixa ou de alta. Dois ou mais destes EVBs podem ser configurados em um acionamento de "totem pole".

Figura 6: O EVB NCP51705SMDGEVB tem furos (superior esquerdo) para conectar um MOSFET de potência em SiC ou Si, e inclui o acionador NCP51705 (U1, centro esquerdo) e o CI isolador digital (centro direito). (Fonte da imagem: onsemi)

A minimização da indutância e capacitância parasita da placa de circuito impresso é importante quando se utiliza o acionador de porta NCP51705 com um MOSFET de SiC (Figura 7). Algumas considerações sobre o layout da placa de circuito impresso incluem:

• O NCP51705 deve estar o mais próximo possível do MOSFET de SiC, com atenção especial para trilhas curtas entre VDD, SVDD, V5V, bomba de carga e capacitor VEE e o MOSFET.
• A trilha entre VEE e PGND deve ser a mais curta possível.
• É preciso haver uma separação entre as trilhas de dV/dt altos e a entrada do acionador e DESAT para evitar uma operação anormal que pode resultar de um acoplamento ruidoso.
• Para projetos de alta temperatura, as vias térmicas devem ser usadas entre a ilha exposta e a camada externa para minimizar a impedância térmica.
• Trilhas largas precisam ser utilizadas para OUTSRC, OUTSNK e VEE.

Figura 7: Layout recomendado da placa de circuito impresso para o NCP51705 para minimizar a indutância e a capacitância parasita para controlar os MOSFETs de SiC. (Fonte da imagem: onsemi)

Conclusão

O SiC desempenha um papel importante para ajudar os projetistas a atender as demandas de um número crescente e variedade de aplicações de infraestrutura de energia. Os projetistas podem atualmente usar dispositivos de SiC para dimensionar projetos de conversão de energia mais eficientes de alta tensão, alta velocidade e de alta corrente que resultam em soluções de tamanhos menores e densidades de potência mais altas. Entretanto, a seleção do estilo de encapsulamento ideal é importante para obter o máximo benefício do projeto com SiC.

Como mostrado, há uma gama de compensações em desempenho, tempo para comercializar e custos a serem considerados ao escolher entre dispositivos discretos, IPMs e PIMs. Além disso, ao usar dispositivos discretos ou PIMs, a seleção do acionador de porta do SiC e o layout ideal da placa de circuito impresso são críticos para se obter um desempenho confiável e eficiente do sistema.

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