O relatório de pesquisa de mercado da Yole Development mostra que, desde o surgimento dos dispositivos semicondutores de potência de silício, as demandas das aplicações têm impulsionado o aumento da temperatura de junção, que agora atingiu 150°C.

Com o surgimento de dispositivos semicondutores de banda larga de terceira geração (como o SiC) e seu crescente amadurecimento e plena comercialização, sua resistência única a altas temperaturas está acelerando o aumento da temperatura de junção dos atuais 150°C para 175°C, e chegará a 200°C no futuro.

Graças às características únicas de alta temperatura e às baixas perdas de comutação do SiC, essa tendência de aumento da temperatura de junção transformará significativamente o padrão de projeto de sistemas de energia. Essas aplicações típicas e promissoras para o futuro, que exigem alta temperatura e alta densidade de potência, incluem sistemas de propulsão integrados para veículos elétricos, aeronaves multielétricas e totalmente elétricas, incluindo até mesmo aeronaves elétricas, estações móveis de carregamento de energia e power banks, além de diversas aplicações de energia onde o resfriamento líquido é extremamente limitado.

O sistema de propulsão de veículos elétricos (motor, controle eletrônico e caixa de câmbio) tem evoluído para um modelo três-em-um, mas atualmente essa integração é apenas estrutural e pouco integrada. Do ponto de vista estrutural, no futuro, a integração profunda do sistema de propulsão é um caminho inevitável, pois pode reduzir o volume em cerca de um terço, o peso em cerca de um terço e o consumo interno em cerca de um terço, podendo reduzir o custo total de duas a quatro vezes.

No entanto, a parte de controle eletrônico será integrada de forma estreita ao motor, e essa integração profunda aumentará consideravelmente a densidade de potência. A alta temperatura é o maior desafio, que não pode ser evitado.

Aplicações típicas de alta temperatura

Em aeronaves tradicionais, os movimentos mecânicos, como o leme de cauda, ​​as asas e o trem de pouso, são controlados por transmissão hidráulica clássica. Por ser um fluido, o óleo hidráulico é bastante afetado pelo ambiente e apresenta altos custos de manutenção. Atualmente, observa-se uma tendência à eletrificação parcial ou total, que é o conceito de aeronaves multielétricas e totalmente elétricas.

A utilização de motores elétricos em vez de circuitos hidráulicos para o funcionamento mecânico de aeronaves oferece alta confiabilidade, facilidade de manutenção e permite projetos com redundância. No entanto, o maior dilema reside na restrição ao resfriamento a água dos motores e controles eletrônicos, que dependem exclusivamente de refrigeração por ar forçado ou natural. Portanto, para viabilizar o projeto de controle eletrônico de aeronaves multielétricas, totalmente elétricas ou mesmo totalmente elétricas, o principal desafio técnico a ser superado é o controle de altas temperaturas.

Além disso, em muitos cenários de aplicação, estações de carregamento de armazenamento de energia semimóveis e power banks totalmente móveis preencherão efetivamente a lacuna do carregamento fixo, o que se tornará ainda mais evidente com a popularização em larga escala dos veículos elétricos.

No entanto, para esse tipo de aplicação de carregamento móvel, o mecanismo de resfriamento a água não apenas adicionará peso e volume, mas, mais importante, consumirá a energia elétrica armazenada. Portanto, o resfriamento natural será a melhor opção para o controle eletrônico, mas a questão do gerenciamento térmico do sistema de controle eletrônico deve ser tratada adequadamente.

Além das três aplicações típicas de alta temperatura mencionadas acima, em muitas aplicações industriais especiais onde o resfriamento líquido é severamente limitado, os sistemas de controle eletrônico enfrentarão os mesmos desafios de alta temperatura. A tecnologia de controle elétrico de alta temperatura é fundamental para viabilizar essas aplicações. Sua principal tecnologia de implementação reside na tecnologia de encapsulamento de alta temperatura de dispositivos de potência de SiC e na tecnologia de circuitos de acionamento de alta temperatura correspondente.

SiC “Gênio”

Os materiais de SiC e suas estruturas de dispositivos possuem resistência intrínseca a altas temperaturas, podendo suportar temperaturas de 400 a 600 °C mesmo em condições de vácuo. Em aplicações práticas, para evitar a oxidação causada pelo contato com o ar, os dispositivos de SiC devem ser encapsulados e, para suportarem altas temperaturas, devem ser encapsulados em invólucros resistentes a altas temperaturas.

A temperatura de junção de 150 °C é atualmente o padrão mais elevado da indústria. O nível de temperatura de junção de 175 °C está apenas começando a ser explorado. Existem encapsulamentos quase padronizados que podem ser utilizados. Encapsulamentos com temperaturas de 200 °C ou superiores têm requisitos muito rigorosos quanto aos materiais e processos de encapsulamento, e devem ser personalizados de acordo com as características do chip para garantir os requisitos de condutividade térmica e desempenho de dissipação de calor.

A aplicação de dispositivos e módulos de potência de SiC é inseparável dos circuitos de acionamento e seus respectivos chips. No entanto, a maioria dos chips de circuitos de acionamento são dispositivos de silício comuns e não suportam altas temperaturas. Mesmo aqueles que conseguem operar em temperaturas elevadas, como 175 °C por 1,000 horas, são raros.

Além disso, a resistência a altas temperaturas é apenas um aspecto do problema. O que é mais sério é a consistência do desempenho do dispositivo em altas temperaturas. O desempenho de dispositivos de silício comuns se deteriora muito rapidamente acima de 70 °C, portanto, eles não podem ser usados ​​em altas temperaturas.

Após mais de 20 anos de pesquisa e desenvolvimento inovadores e testes de aplicação, os dispositivos de silício SOI especiais da Cissoid alcançaram uma resistência excepcional a altas temperaturas. Eles podem operar continuamente por 15 anos a 175 °C e apresentam excelente consistência de desempenho em toda a faixa de temperatura. São os pilares que sustentam as aplicações de SiC em altas temperaturas.

Superando o dilema da “temperatura”

A tecnologia especial de semicondutores de silício baseada em SOI da Cissoid supera de forma abrangente o dilema da temperatura dos dispositivos semicondutores de silício e evita claramente a influência do efeito de temperatura dos portadores (a concentração intrínseca de portadores aumenta com o aumento da temperatura) e do efeito de temperatura da junção (a barreira de junção efetiva diminui com o aumento da temperatura) dos dispositivos de silício. Além de suportar altas temperaturas e operar por longos períodos, ela também mantém uma boa consistência de desempenho em toda a faixa de temperatura.

Como resultado, os dispositivos semicondutores de alta temperatura da Cissoid são há muito tempo os preferidos nos setores aeroespacial e de exploração de petróleo, e possuem quase 20 anos de histórico e experiência em aplicações de alta temperatura.

Nos últimos anos, com a popularização dos dispositivos de potência semicondutores de SiC de terceira geração, a Cissoid desenvolveu chips e soluções de driver resistentes a altas temperaturas para MOSFETs de SiC. Essa resistência exclusiva a altas temperaturas permite que o chip seja posicionado o mais próximo possível do módulo de potência de SiC para minimizar a indutância parasita do circuito de acionamento, suprimindo, assim, o ringing de forma mais eficaz e alcançando a eficiência ideal.

Recentemente, para aplicações de acionamento elétrico em veículos elétricos e aeronaves totalmente elétricas/multielétricas, a Cissoid também lançou um sistema de módulo de potência inteligente (IPM) MOSFET SiC trifásico de ponte completa de 1200 V, que é uma série de plataformas escaláveis. Este sistema utiliza tecnologia de baixa perda de comutação para fornecer uma solução integrada, ou seja, o IPM.

O IPM é composto por um circuito de acionamento de gate e um módulo de potência trifásico de carbeto de silício. A cooperação entre os dois foi otimizada e coordenada para aproveitar ao máximo as vantagens dos dispositivos de SiC.

O módulo CXT-PLA3SA12450AA atualmente em produção possui uma temperatura de junção nominal de até 175 °C, e o circuito de acionamento do gate pode operar em ambientes com temperatura de até 125 °C. Além disso, conforme as condições e cenários de aplicação exigirem, o nível de temperatura operacional pode ser ainda mais aprimorado com a substituição de componentes passivos de nível superior e com a alteração da embalagem dos chips e módulos principais.

Desde o surgimento dos dispositivos semicondutores de silício, as aplicações em altas temperaturas têm sido fundamentais para o seu uso.

A tecnologia inovadora de chips de silício SOI especiais da Cissoid tem liderado a conquista de grandes avanços em dispositivos semicondutores discretos de alta temperatura e circuitos integrados de pequena escala.

À medida que os semicondutores de terceira geração, como os dispositivos semicondutores de potência de SiC, se tornam cada vez mais maduros e populares, sua resistência inerente a altas temperaturas e os dispositivos semicondutores de alta temperatura Cissoid formam uma combinação muito boa, o que mudará significativamente o padrão de projeto de sistemas de energia e fornecerá aos engenheiros de projeto novas possibilidades de expansão.

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