Os semicondutores de ampla banda proibida estão remodelando o mundo dos transportes

Todo o setor de transporte está passando por uma transformação radical, com veículos com motor de combustão interna (ICE) dando gradualmente lugar a carros elétricos e híbridos menos poluentes e soluções mais limpas de transporte de massa (trens, aviões e navios). Soluções capazes de maximizar a eficiência e reduzir o impacto ambiental são necessárias para conter as emissões de gases de efeito estufa (GEE) e mitigar o aquecimento global.

Os semicondutores de ampla banda proibida (WBG) exibem diversas propriedades que os tornam atraentes para aplicações de transporte. Seu uso pode resultar em veículos mais eficientes, rápidos e leves, com maior alcance e impacto ambiental reduzido.

Propriedades dos materiais WBG

Materiais de ampla banda proibida estão transformando rapidamente a área de eletrônica de potência devido a suas vantagens em relação ao silício (Si) comumente usado. Enquanto o silício tem um banda proibida de 1,1 elétron-volts (eV), os materiais WBG têm um banda proibida de 2 a 4 eV. Além disso, o campo elétrico de ruptura da maioria dos semicondutores WBG é substancialmente maior do que o silício. Isso significa que eles podem operar a temperaturas e tensões significativamente mais altas, proporcionando níveis de potência mais altos e menores perdas. A Tabela 1 lista as principais propriedades do carbeto de silício (SiC) e do nitreto de gálio (GaN), os dois materiais WBG mais populares, em comparação com o silício.

Tabela 1: Comparação das propriedades de Si, SiC e GaN.

As principais vantagens dos dispositivos de potência de SiC, em comparação com os dispositivos de silício, são as seguintes:

• Baixas perdas de chaveamento: os MOSFETs de SiC são dispositivos unipolares que exibem perdas de chaveamento muito baixas ao ligar e desligar. Esta propriedade permite maiores frequências de chaveamento com menores perdas, permitindo a redução de componentes passivos e magnéticos
• Baixas perdas de condução: devido à ausência de uma junção bipolar, os dispositivos de SiC também podem reduzir as perdas durante a operação com carga leve ou carga parcial
• Altas temperaturas de operação: o carbeto de silício oferece propriedades térmicas superiores em comparação ao silício. O SiC apresenta baixas correntes de fuga em uma ampla faixa de temperaturas, permitindo uma operação acima de 200°C. O resfriamento simplificado e o excelente gerenciamento térmico são uma consequência desta propriedade
• Diodo intrínseco incorporado: graças a esta característica, os MOSFETs de SiC podem operar em modo diodo no terceiro quadrante, proporcionando excelente desempenho em aplicações de energia

A combinação das propriedades acima permite obter dispositivos de SiC com maior densidade de potência, eficiência, frequências operacionais e menor pegada.

As principais vantagens dos dispositivos de potência de GaN, em comparação com os equivalentes Si e SiC, são as seguintes:

• Os dispositivos de GaN podem operar no terceiro quadrante sem carga de recuperação reversa, apesar de não possuírem um diodo intrínseco incorporado. Como resultado, não há necessidade de um diodo antiparalelo

• Baixa carga na porta Q_G e RDS_(ON) de resistência, o que se traduz em menores perdas de acionamento e taxas de chaveamento mais rápidas
• Recuperação reversa zero, resultando em menores perdas de chaveamento e menos ruído de EMI
• Alto dv/dt: o GaN pode comutar em frequências muito altas e são 4x mais rápidos para ligar e 2x mais rápidos para desligar do que MOSFETs de SiC com RDS_(ON) similar

Aplicações dos dispositivos WBG

Como destacado na Figura 1, há aplicações onde SiC e GaN oferecem o melhor desempenho e outras onde suas características se sobrepõem às do silício. Muitas vezes, os dispositivos de GaN são a melhor escolha para aplicações de alta frequência, enquanto os dispositivos SiC têm alto potencial em altas tensões.

Figura 1: Aplicações potenciais dos dispositivos de Si, SiC e GaN. (Fonte: Infineon)

Veículos híbridos e elétricos

H/EVs utilizam vários sistemas eletrônicos de potência para transformar a energia da rede ou do motor em uma forma adequada para alimentar o motor e os dispositivos auxiliares. A maioria dos H/EVs também usa frenagem regenerativa, na qual as rodas giram o gerador para carregar a bateria.

O inversor de tração é um componente crucial nestes veículos, convertendo a alta tensão CC das baterias em CA para alimentar o motor trifásico (ver Figura 2). Devido à alta potência envolvida, os dispositivos de SiC são preferidos nesta aplicação, com um dimensionamento de 650 V ou 1,2 kV, dependendo da topologia do inversor. O SiC ajuda a reduzir perdas, tamanho e peso, permitindo soluções com fatores de forma pequenos.

Figura 2: Principais componentes de um H/EV. (Fonte: ROHM Semiconductor)

O carregador na placa (OBC) se conecta à rede, convertendo a tensão CA em CC para carregar a bateria. A potência de saída do OBC está normalmente entre 3,3 kW e 22 kW e depende de dispositivos de potência com alta tensão (600 V e acima). Embora ambos SiC e GaN sejam adequados para esta aplicação, as características do GaN, como alta frequência de chaveamento, baixas perdas de condução e peso e tamanho reduzidos, fazem dele a solução ideal para a implementação de OBCs.

Outra aplicação do WBG em H/EVs é o conversor CC-CC de baixa tensão (LV), responsável por baixar a tensão da bateria (200 V em HEV, acima de 400 V em EV) para a tensão de 12 V/48 V CC necessária para alimentar os sistemas auxiliares. Apresentando uma potência típica inferior a 1 kW, o conversor LV pode alcançar frequências mais altas usando dispositivos de GaN e SiC.

A Tabela 2 resume como o Si, SiC e GaN atendem às exigências das aplicações H/EVs mencionadas anteriormente.

Tabela 2: Aplicações do WBG em H/EVs e comparação de desempenho com Si.

Transporte sobre trilhos

Os trens elétricos extraem energia da rede através de uma linha catenária ou de um terceiro trilho, convertendo-a em uma forma adequada para os motores e os sistemas auxiliares. Se o trem operar em uma linha CA, um transformador e retificador devem abaixar e condicionar a tensão para CC. A tensão CC é então dividida e entregue através de inversores para atender as necessidades dos sistemas auxiliares e de tração.

O inversor de tração transforma a corrente contínua em corrente alternada para alimentar os motores e recondiciona a eletricidade produzida pela frenagem regenerativa. Portanto, este conversor é projetado para executar um fluxo bidirecional de energia. Já o inversor auxiliar fornece energia para sistemas de resfriamento, conforto aos passageiros e outras necessidades não relacionadas ao movimento.

O tamanho da eletrônica de potência no inversor de tração depende da categoria do trem:

• Trens urbanos: 1,2 kV a 2,5 kV
• Trens de transporte coletivo: 1,7 kV a 3,3 kV
• Trens intermunicipais: acima de 3,3 kV

Entretanto, a maioria dos trens usa 3,3 kV ou 1,7 kV.

A frenagem regenerativa, que devolve uma parte da eletricidade à rede local, ao sistema de distribuição de energia ferroviária ou ao armazenamento de energia, torna o sistema mais complicado do que os das aplicações mencionadas anteriormente. A energia regenerada deve ser armazenada ou utilizada imediatamente; caso contrário, ela é perdida.

Os IGBTs bipolares baseados em Si e os diodos flyback, tradicionalmente usados em módulos de energia para aplicações de tração ferroviária, podem ser substituídos por diodos e MOSFETs unipolares baseados em SiC, aumentando assim a frequência de chaveamento e a densidade de potência.

As perdas por condução e chaveamento devem ser reduzidas e a temperatura máxima da junção deve ser aumentada para reduzir o peso e o volume do equipamento eletrônico de potência usado em aplicações de tração ferroviária. Para os dispositivos de potência bipolares de silício amplamente utilizados, o aumento das perdas na condução e a diminuição das perdas de chaveamento têm efeitos opostos. Um dispositivo unipolar não experimenta a contrapartida entre a condução e as perdas de chaveamento como fazem os dispositivos bipolares. Como resultado, as perdas por chaveamento poderiam ser reduzidas, enquanto se minimizam as perdas por condução.

As perdas de energia no trilho elétrico podem ser drasticamente reduzidas com a eletrônica de potência em WBG. Como resultado, menos energia será retirada da rede, e mais será devolvida via frenagem regenerativa. Os dispositivos WBG também oferecem benefícios adicionais que ajudam consideravelmente o transporte sobre trilhos, além de aumentar a eficiência, como por exemplo:

• A redução de peso tem impactos significativos na eficiência
• A temperatura de operação mais alta permite um sistema de resfriamento menor
• O aumento da frequência de chaveamento permite dimensões passivas menores, o que diminui o peso dos inversores de tração e auxiliares. O inversor e o motor podem responder mais rapidamente às variações na demanda graças à maior frequência de chaveamento, aumentando, assim, a eficiência. Finalmente, como a frequência mais alta é menos audível e os ventiladores de resfriamento podem ser desligados, as paradas ferroviárias seriam menos barulhentas quando os trens estão presentes.

Aplicações marítimas e aeronáuticas

As inovações da eletrônica de potência beneficiam o setor marítimo há muito tempo. No navio, a eletricidade de média tensão CA de geradores síncronos alimentados por motores a diesel é fornecida a várias cargas. Estes incluem principalmente acionamentos propulsores (uma mistura de conversores CA-CC e CC-CA) e outras cargas.

As tendências recentes no setor marítimo estão tentando substituir as redes de distribuição elétrica CA por redes de distribuição CC. Esta solução elimina a necessidade de sincronizar os geradores com a distribuição de energia CA, desde que eles possam operar em velocidades variáveis, e obtém economia de combustível. Por outro lado, requer a introdução de circuitos retificadores (conversores CA-CC) entre os geradores CA e a rede de distribuição de energia CC.

Os acionamentos de velocidade variável da propulsão marítima são componentes cruciais do navio que devem operar com extrema confiabilidade. Eles são frequentemente dimensionados de alguns watts a algumas dezenas de megawatts. Muitas vezes, esses acionamentos são os blocos de conversão de energia mais significativos em um navio com distribuição de energia elétrica CA. Por isso, sua grande eficiência é crucial.

Mais uma vez, os dispositivos de potência convencionais baseados em silício estão sendo substituídos por dispositivos de SiC e GaN, que aumentam a eficiência enquanto reduzem o tamanho e o peso. Os dispositivos WBG logo ultrapassarão os dispositivos baseados em Si como líderes do setor, trazendo soluções de ponta em sistemas eletrônicos de potência que são impossíveis com a tecnologia de silício.

Os futuros geradores elétricos alimentados por turbinas a combustível serão o principal motor dos sistemas de propulsão aviônica híbridos e totalmente elétricos. A eletrônica de potência será posteriormente utilizada para conectar o gerador e o motor. Barramentos de tensão CC muito alta são necessários para garantir que possa haver energia suficiente. Estes barramentos podem variar em tensão desde alguns kV para veículos leves até a faixa de média tensão para aviões. Além disso, um barramento de alta tensão CC possibilita a utilização de máquinas síncronas de ímã permanente como geradores, o que reduz a potência reativa e o dimensionamento da eletrônica de potência. Os conversores de energia precisam de equipamentos que possam funcionar em altas frequências de chaveamento devido à rápida velocidade de rotação do gerador, o que resulta em elementos filtrantes menores e mais leves.

O carbeto de silício é o dispositivo semicondutor mais promissor para atender a todos os requisitos, garantindo ao mesmo tempo, alta eficiência de conversão. Para aeronaves na faixa inferior de potência, os dispositivos MOSFET em SiC de 3,3 kV e 6,5 kV recém-criados são de interesse significativo. Eles também podem ser empregados em topologias modulares de conversores de energia para atender às exigências de maior tensão/potência das aeronaves.

Conclusão

Os semicondutores de ampla banda proibida, tais como carbeto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), oferecem várias vantagens sobre os semicondutores tradicionais em sua capacidade de lidar com altas tensões e temperaturas com menor perda de energia. Estas características os tornam particularmente adequados para a eletrônica de potência utilizada em várias aplicações, incluindo o transporte.

Os semicondutores WBG são utilizados na indústria de transporte para desenvolver veículos elétricos e híbridos mais eficientes e confiáveis. A menor perda de energia dos semicondutores de ampla banda proibida permite maiores frequências de chaveamento, reduzindo o tamanho e o peso da eletrônica de potência. Isto, por sua vez, pode resultar em maior autonomia dos veículos, tempos de carregamento mais rápidos e melhor desempenho geral.

Os semicondutores de ampla banda proibida também permitem o desenvolvimento de trens de força mais compactos e eficientes, incluindo acionamentos de motor e inversores para EVs e HEVs. Ao reduzir o tamanho e o peso desses componentes, os projetistas de veículos podem liberar espaço para outros componentes ou melhorar a aerodinâmica geral do veículo.

Além dos veículos elétricos e híbridos elétricos, os semicondutores de ampla banda proibida também são utilizados em outras formas de transporte, tais como aviões e trens. Nestas aplicações, as capacidades de alta temperatura e alta tensão dos semicondutores de ampla banda proibida podem melhorar a eficiência e confiabilidade da eletrônica de potência, levando à redução dos custos operacionais e ao aumento da segurança.