O carbeto de silício tornou-se um dos materiais semicondutores mais importantes na eletrônica de potência de veículos elétricos. No entanto, o SiC normalmente não é usado para fabricar as células da bateria, o motor elétrico ou a carroceria do veículo.

Em vez disso, fatias de carbeto de silício são processadas em dispositivos semicondutores de potência, como MOSFETs de SiC e diodos de barreira Schottky de SiC. Esses dispositivos controlam e convertem eletricidade de alta tensão dentro do veículo.

As principais aplicações automotivas incluem inversores de tração, carregadores de bordo, conversores CC-CC de alta tensão e sistemas de energia auxiliares selecionados. O SiC também é cada vez mais importante na infraestrutura de carregamento.

Visão Geral Rápida das Aplicações de SiC em Veículos Elétricos

Compreendendo o Fluxo de Potência Dentro de um Veículo Elétrico

Uma bateria de tração de VE fornece corrente contínua, enquanto o motor de propulsão normalmente requer corrente alternada controlada. O carregamento, a condução, a frenagem regenerativa e o fornecimento de eletrônicos de baixa tensão exigem que a eletricidade seja convertida entre diferentes tensões e formas.

Essas conversões são realizadas por sistemas de eletrônica de potência.

Veículos elétricos tradicionais usam comumente IGBTs de silício, MOSFETs de silício e diodos de silício. Esses dispositivos permanecem adequados para muitas aplicações, especialmente onde custo, operação de baixa tensão e fabricação estabelecida são as principais prioridades.

No entanto, à medida que a tensão e a potência do veículo aumentam, a perda de comutação, a geração de calor e o tamanho do componente tornam-se mais importantes. É aqui que os dispositivos de banda larga SiC oferecem vantagens significativas.

1. Inversor de Tração: A Aplicação SiC Mais Importante em um VE

O inversor de tração é atualmente a aplicação automotiva mais importante para o carbeto de silício.

Durante a aceleração, o inversor converte eletricidade CC da bateria de tração em eletricidade CA trifásica para o motor. Ele também controla a velocidade e o torque do motor.

Durante a frenagem regenerativa, o processo de conversão opera em sentido inverso. A eletricidade gerada pelo motor é convertida de volta em CC e devolvida à bateria.

Como o inversor de tração comuta repetidamente altas tensões e grandes correntes, ele pode produzir perdas de condução e comutação consideráveis. Os IGBTs de silício tradicionais são maduros e confiáveis, mas seu comportamento de comutação pode limitar a eficiência em frequências de operação mais altas.

Os MOSFETs de SiC podem fornecer:

• Menores perdas de comutação
• Perdas reduzidas relacionadas à recuperação reversa
• Maiores frequências de comutação
• Capacidade de alta tensão
• Menores requisitos de resfriamento em um sistema otimizado
• Maior densidade de potência do inversor
• Potenciais reduções no tamanho e peso do inversor

A melhoria real da eficiência depende da velocidade do veículo, carga do motor, estratégia de comutação, projeto de resfriamento e ciclo de condução. O SiC não garante um aumento fixo na autonomia de condução, mas a redução das perdas do inversor pode melhorar a utilização geral da energia.

O benefício é frequentemente particularmente valioso durante a operação com carga parcial, condução em rodovias e outras condições em que a eficiência da eletrônica de potência afeta fortemente o consumo total do veículo.

2. Carregador de Bordo

O carregador de bordo, ou OBC, converte eletricidade CA externa em eletricidade CC controlada para carregar a bateria de tração.

Seus estágios de conversão de energia podem incluir:

• Filtragem de entrada CA
• Correção do fator de potência
• Conversão CA-CC
• Conversão CC-CC isolada ou não isolada
• Regulação de tensão e corrente da bateria

MOSFETs de SiC e diodos Schottky de SiC podem ser usados nos estágios de correção do fator de potência e CC-CC. Sua capacidade de comutação de alta frequência permite que os engenheiros reduzam o tamanho de certos transformadores, indutores e capacitores.

Os potenciais benefícios do OBC incluem:

• Maior eficiência de conversão
• Menor geração de calor
• Componentes magnéticos menores
• Maior densidade de potência
• Menor peso do sistema
• Melhor adequação para baterias de alta tensão

Carregadores de bordo bidirecionais também podem suportar operação veículo-rede, veículo-casa ou veículo-carga. Essas funções exigem conversão de energia bidirecional eficiente e representam outra aplicação potencial para chaves SiC.

No entanto, a seleção do componente ainda depende da potência do carregador, topologia de comutação, tensão, requisitos térmicos e custo alvo.

3. Conversor CC-CC de Alta Tensão

Um veículo elétrico normalmente contém sistemas elétricos de alta e baixa tensão.

A bateria de tração pode operar a várias centenas de volts, enquanto iluminação, infoentretenimento, sensores, controladores e outros eletrônicos operam comumente a partir de um sistema de 12 V ou 48 V.

O conversor CC-CC de alta tensão reduz a tensão da bateria de tração para a baixa tensão necessária. Ele também fornece eletrônicos do veículo e carrega a bateria de baixa tensão.

Dispositivos de SiC podem ser usados em conversores CC-CC de alta potência para fornecer comutação eficiente e reduzir o tamanho do sistema. Seu desempenho pode suportar frequências de comutação mais altas, o que pode reduzir o tamanho dos componentes magnéticos.

Nem todo conversor CC-CC automotivo requer SiC. MOSFETs de silício podem permanecer mais econômicos para estágios de menor potência ou menor tensão. O valor do SiC aumenta quando o conversor deve lidar com alta tensão de entrada, alta potência e condições térmicas exigentes.

4. Compressor de Ar Condicionado Elétrico

Ao contrário de um motor de combustão interna, um VE não pode depender do calor residual do motor para gerenciar todos os requisitos de temperatura da cabine e da bateria. Compressores elétricos, bombas de calor, bombas de refrigerante e aquecedores de alta tensão, portanto, desempenham um papel importante no gerenciamento térmico do veículo.

Um compressor de ar condicionado elétrico contém um motor e um inversor que controla o motor. MOSFETs de SiC podem ser usados em inversores de compressor de alta tensão selecionados para reduzir a perda de potência e melhorar o desempenho em alta temperatura.

Vantagens possíveis incluem:

• Melhor eficiência de acionamento do compressor
• Menor geração de calor do inversor
• Eletrônica de potência mais compacta
• Melhor compatibilidade com arquiteturas de alta tensão

A aplicação é menos universal do que o inversor de tração. Se o SiC é economicamente justificado depende da potência do compressor, tensão de operação, projeto térmico e ganhos de eficiência esperados.

5. Aquecedores de Alta Tensão e Sistemas Auxiliares

Dispositivos de potência de SiC também podem aparecer em sistemas auxiliares de alta tensão selecionados, incluindo:

• Controladores de aquecedor PTC
• Eletrônica de potência de bomba de calor
• Bombas de refrigerante elétricas
• Bombas de óleo elétricas
• Compressores de ar de célula de combustível
• Drives de motor auxiliares
• Disjuntores de estado sólido
• Fusíveis eletrônicos
• Módulos de potência bidirecionais
• Unidades de distribuição de alta tensão

Muitos desses sistemas ainda usam dispositivos de silício. O SiC é mais provável de ser selecionado quando alta tensão, alta frequência de comutação, embalagem compacta ou requisitos de resfriamento reduzidos justificam o custo adicional do dispositivo.

6. Equipamento de Carregamento Rápido CC

Um carregador rápido CC não é instalado dentro do veículo, mas é uma parte importante do ecossistema de energia do VE.

Carregadores rápidos convertem CA da rede em CC de alta tensão regulada, que é entregue diretamente à bateria de tração. À medida que a potência de saída do carregador aumenta, os módulos de conversão devem lidar com tensões, correntes e cargas térmicas mais altas.

MOSFETs e diodos de SiC podem ajudar os módulos de carregamento a alcançar:

• Maior eficiência de conversão de potência
• Perdas de comutação reduzidas
• Maiores frequências de comutação
• Módulos de potência menores
• Menor demanda de resfriamento
• Maior potência de saída dentro de um volume de gabinete limitado

O uso de SiC não determina independentemente a velocidade de carregamento. A taxa máxima de carregamento também depende da bateria do veículo, estado de carga, temperatura da bateria, protocolo de carregamento, capacidade do cabo e estratégia de gerenciamento térmico.

Por que o SiC é Importante para Plataformas de VE de 800 V?

Aumentar a tensão do sistema de bateria permite que um veículo transmita a mesma potência com uma corrente menor.

Corrente menor pode reduzir perdas resistivas em cabos, barramentos e conexões elétricas. Também pode suportar maior potência de carregamento sem exigir um aumento excessivo no tamanho do condutor.

No entanto, uma tensão de sistema mais alta impõe requisitos mais exigentes em:

• Tensão de ruptura do semicondutor
• Desempenho de comutação
• Isolamento elétrico
• Materiais de embalagem
• Distâncias de escoamento e de isolamento
• Sistemas de resfriamento e proteção

O carbeto de silício tem um campo elétrico crítico muito mais alto do que o silício. Ele pode, portanto, suportar dispositivos de potência de alta tensão com perdas de comutação e condução relativamente baixas.

Isso torna o SiC particularmente atraente para inversores de tração, carregadores de bordo e conversores CC-CC de classe 800 V. É uma razão pela qual a adoção de SiC geralmente começa com plataformas de veículos de alta tensão e alto desempenho.

Em Que Formas de Carbeto de Silício São Instaladas em um Veículo?

Uma fatia bruta de SiC normalmente não é instalada diretamente em um veículo elétrico. Ela deve passar por várias etapas de fabricação.

1. Crescimento de Cristal de SiC

Material fonte de SiC de alta pureza é processado em temperaturas extremamente altas para crescer um cristal único de SiC.

2. Fabricação de Substrato

O lingote é orientado, fatiado, retificado, polido e limpo para produzir substratos de SiC. Para dispositivos de potência automotivos, 4H-SiC condutivo é comumente usado.

3. Crescimento Epitaxial

Uma camada epitaxial controlada de SiC é cultivada no substrato polido. Sua espessura e dopagem são projetadas de acordo com a tensão do dispositivo e o desempenho elétrico necessários.

4. Fabricação de Dispositivos

Processos semicondutores em nível de wafer criam MOSFETs de SiC, diodos Schottky ou outros dispositivos de potência.

5. Embalagem e Montagem de Módulos

Os dispositivos são cortados, conectados eletricamente e montados em pacotes discretos ou módulos de potência. O módulo acabado pode incluir pastilhas semicondutoras, condutores metálicos, substratos cerâmicos, bases e interfaces de resfriamento.

6. Integração de Sistemas Automotivos

Os dispositivos ou módulos embalados são integrados ao inversor, carregador ou conversor. Drivers de gate, barramentos, capacitores, sistemas de resfriamento e software de controle devem ser otimizados para o comportamento elétrico do SiC.

Por que o SiC Melhora a Eletrônica de Potência de VE?

Menor Perda de Comutação

MOSFETs de SiC podem comutar de forma mais eficiente do que IGBTs de silício em muitas aplicações de alta tensão. Menor perda de comutação reduz o desperdício de energia e a geração de calor.

Maior Frequência de Comutação

Maior frequência de operação pode reduzir o tamanho de transformadores, indutores e capacitores selecionados. No entanto, maior frequência também aumenta a importância da interferência eletromagnética e do controle do layout do circuito.

Capacidade de Alta Temperatura

A banda larga do SiC suporta operação sob condições de temperatura mais exigentes. A temperatura máxima prática ainda é limitada pela embalagem, interconexões, drivers de gate e requisitos de confiabilidade do sistema.

Maior Densidade de Potência

Menor perda e maior frequência de comutação permitem que mais potência seja manuseada em um volume menor quando o sistema completo é projetado de acordo.

Desempenho de Alta Tensão

O SiC é bem adequado às classes de tensão usadas em sistemas de tração e carregamento de VE modernos, particularmente plataformas de alta tensão.

O SiC Sempre Aumenta a Autonomia de Condução de VE?

O SiC pode reduzir as perdas de conversão de energia, mas não há uma porcentagem universal pela qual ele aumenta a autonomia do veículo.

O resultado depende de:

• Tensão e capacidade da bateria
• Eficiência do motor
• Topologia do inversor
• Velocidade de condução
• Massa e aerodinâmica do veículo
• Temperatura ambiente
• Projeto do sistema de resfriamento
• Estratégia de controle
• Ciclo de condução urbano ou rodoviário

Os fabricantes podem usar o benefício de eficiência de maneiras diferentes. Um projeto pode estender a autonomia de condução, enquanto outro pode reduzir a capacidade da bateria, diminuir o tamanho do sistema de resfriamento ou aumentar o desempenho do veículo.

Portanto, o SiC deve ser avaliado no nível do sistema, em vez de apenas comparar especificações individuais de semicondutores.

Por que o SiC Não é Usado em Todos os Componentes de Potência de VE?

O carbeto de silício oferece forte desempenho, mas também introduz desafios técnicos e comerciais.

Custo Mais Alto de Material e Dispositivo

O crescimento de cristal de SiC e o processamento de wafer são mais difíceis do que a fabricação convencional de silício. Isso contribui para custos mais altos de substrato e dispositivo.

Controle de Defeitos de Cristal e Superfície

Micropipes, deslocamentos, falhas de empilhamento, arranhões na superfície e danos subsuperficiais podem afetar o crescimento epitaxial e o rendimento do dispositivo. Aplicações automotivas exigem consistência e rastreabilidade rigorosas do material.

Requisitos de Driver de Gate

MOSFETs de SiC comutam rapidamente e requerem drivers de gate, circuitos de proteção e controle de comutação cuidadosamente projetados.

Indutância Parasita

Transições rápidas de corrente e tensão tornam o layout do módulo, o projeto do barramento e a indutância do pacote especialmente importantes.

Interferência Eletromagnética

Velocidades de comutação mais altas podem criar desafios de compatibilidade eletromagnética se o sistema de potência completo não for projetado adequadamente.

Proteção contra Curto-Circuito

Dispositivos de SiC podem exigir detecção e proteção de falhas mais rápidas do que os IGBTs de silício tradicionais, dependendo do dispositivo e do projeto do sistema.

Para sistemas de menor tensão ou sensíveis ao custo, MOSFETs e IGBTs de silício ainda podem fornecer o melhor equilíbrio entre desempenho, maturidade e custo.

Seleção de Substratos de SiC para Desenvolvimento de Dispositivos de Potência Automotivos

A qualidade do substrato de SiC afeta diretamente o crescimento epitaxial e a fabricação de dispositivos. Ao adquirir wafers para desenvolvimento de semicondutores de potência automotivos, os compradores devem especificar mais do que o diâmetro e a espessura do wafer.

Parâmetros importantes de RFQ incluem:

• Polimorfo, comumente 4H-SiC
• Tipo de condutividade
• Faixa de dopante e resistividade
• Diâmetro do wafer
• Orientação do cristal
• Ângulo e direção fora do eixo
• Face Si ou face C
• Espessura nominal e tolerância
• Variação total de espessura
• Arco e empenamento
• Polimento de um ou dois lados
• Rugosidade da superfície
• Requisitos de micropipe e deslocamento
• Limites de defeitos de superfície
• Especificação de borda, plano ou entalhe
• Identificação do wafer e rastreabilidade do lote
• Requisitos de certificado de análise e mapa de wafer
• Requisitos de limpeza e embalagem

Fatias de pesquisa, fatias dummy e substratos de grau de dispositivo não devem ser tratados como materiais intercambiáveis. O grau correto deve ser selecionado de acordo com a epitaxia, desenvolvimento de processo, calibração de equipamento ou requisitos de produção de dispositivo.

Conclusão

O carbeto de silício é usado principalmente nos sistemas de conversão de energia de alta tensão de veículos elétricos. Sua aplicação mais importante é o inversor de tração, seguido por carregadores de bordo, conversores CC-CC de alta tensão e sistemas selecionados de gerenciamento térmico ou energia auxiliar.

Dispositivos de SiC atuam como chaves eletrônicas de alta velocidade. Eles não armazenam energia nem acionam o veículo mecanicamente. Em vez disso, eles controlam como a energia elétrica se move entre a bateria, o motor, a entrada de carregamento e a eletrônica do veículo.

Sua menor perda de comutação, capacidade de alta tensão e potencial para maior densidade de potência os tornam particularmente atraentes para veículos elétricos de alto desempenho e classe 800 V. No entanto, o valor final depende do projeto completo do sistema, incluindo embalagem, acionamento de gate, resfriamento, proteção e compatibilidade eletromagnética.

À medida que os sistemas elétricos de VE continuam a evoluir para tensões mais altas, carregamento mais rápido e eletrônica de potência mais compacta, espera-se que o carbeto de silício desempenhe um papel cada vez mais importante ao lado dos dispositivos de silício convencionais.