Noções Básicas dos Dispositivos de Potência SiC

Nos últimos anos, dispositivos de potência como diodos, transistores e módulos, projetados para manipular grandes quantidades de energia com pequenas perdas, ganharam destaque. Esses dispositivos, conhecidos como "dispositivos de potência" ou "semicondutores de potência", são essenciais para atender às necessidades globais de economia de energia e miniaturização. Entre os semicondutores utilizados, o Carbeto de Silício (SiC) tem se mostrado superior ao silício (Si) tradicional em diversas aplicações de dispositivos de potência. Este artigo detalha as características, vantagens e aplicações dos dispositivos de potência baseados em SiC.

O que é Carbeto de Silício?

O Carbeto de Silício (SiC) é um material semicondutor composto de silício (Si) e carbono (C). A ligação química no SiC é extremamente forte, tornando o material estável termicamente, quimicamente e mecanicamente. O SiC existe em várias estruturas cristalinas polimórficas chamadas politipos, sendo o 4H-SiC considerado ideal para uso em dispositivos de potência. As propriedades físicas do 4H-SiC, quando comparadas com as do silício (Si) e outros materiais semicondutores, mostram superioridade em parâmetros importantes para dispositivos de potência, como campo elétrico de ruptura, banda proibida e condutividade térmica.

Propriedades e Características do SiC

1. Estrutura Química e Física:

   • O SiC é um composto IV-IV, ou seja, um composto formado por elementos do grupo 4 da tabela periódica, no caso, silício e carbono. Este tipo de ligação resulta em uma estrutura extremamente estável e robusta.
   • Existe em várias formas cristalinas, sendo a 4H-SiC a mais utilizada para dispositivos de potência devido às suas propriedades elétricas superiores.

2. Estabilidade Térmica e Química:

   • O SiC é termicamente estável, não possuindo fase líquida em temperaturas normais e sublimando a cerca de 2000°C.
   • Possui uma alta resistência mecânica, com dureza de Mohs próxima à do diamante (9.3).
   • Quimicamente inerte, resistindo a quase todos os ácidos e bases.

3. Propriedades Elétricas:

   • O SiC possui um campo elétrico de ruptura cerca de dez vezes maior que o do Si, permitindo dispositivos de alta tensão com camadas de deriva mais finas e dopadas.
   • A banda proibida do SiC é aproximadamente três vezes maior que a do Si, permitindo operação em temperaturas mais altas.

4. Condutividade Térmica:

   • A alta condutividade térmica do SiC facilita a dissipação de calor, melhorando a eficiência e permitindo operação a altas temperaturas.

Comparação com Outros Materiais Semicondutores

Histórico de Desenvolvimento e Vantagens dos Dispositivos de Potência SiC

Os dispositivos de potência baseados em SiC, como diodos Schottky e MOSFETs, começaram a ser produzidos em volume por volta de 2010, com módulos de potência Full-SiC sendo introduzidos em 2012. O desenvolvimento desses dispositivos foi impulsionado pela necessidade global de conservação de energia e miniaturização de equipamentos. Os dispositivos de potência SiC oferecem vantagens como alta resistência à quebra dielétrica, operação em alta temperatura, baixa resistência e alta velocidade de operação, superando as limitações dos dispositivos baseados em Si.

Desenvolvimento dos Dispositivos de Potência SiC

1. Primeira Geração:

   • Os primeiros dispositivos de potência SiC incluíam diodos Schottky e MOSFETs com tensão de ruptura de até 600V.
   • A produção em volume começou em 2010, marcando o início da era dos dispositivos de potência SiC.

2. Segunda Geração:

   • Introdução de SiC MOSFETs com tensões de ruptura mais altas e melhorias na resistência de condução.
   • Desenvolvimento de módulos Full-SiC que integraram MOSFETs e diodos Schottky em um único módulo, melhorando a eficiência e a densidade de potência.

3. Terceira Geração e Além:

   • A terceira geração de dispositivos SiC trouxe melhorias significativas na resistência de condução e nas características de recuperação reversa.
   • Espera-se que futuras gerações continuem a melhorar a eficiência e a redução de perdas, bem como a integração de novos materiais e tecnologias.

Vantagens dos Dispositivos de Potência SiC

1. Alta Resistência de Ruptura Dielétrica:

   • O SiC pode suportar campos elétricos de ruptura cerca de dez vezes maiores que o Si, permitindo a fabricação de dispositivos com tensões de ruptura muito mais altas.

2. Baixa Resistência de Condução:

   • Devido à possibilidade de fabricar camadas de deriva finas e altamente dopadas, a resistência de condução dos dispositivos SiC é significativamente menor.

   • Camada de Deriva: A camada de deriva é uma região do semicondutor que contribui significativamente para a resistência total do dispositivo quando ele está em condução. Em dispositivos de alta tensão, essa camada precisa ser suficientemente espessa para suportar a tensão de bloqueio, mas no caso do SiC, essa camada pode ser mais fina e ainda suportar altas tensões devido ao seu campo elétrico de ruptura mais elevado. Isso resulta em menor resistência de condução e, portanto, menores perdas de potência.

3. Alta Condutividade Térmica:

   • O SiC dissipa calor de forma mais eficiente, permitindo operação em temperaturas mais altas sem degradação do desempenho.

4. Alta Velocidade de Comutação:

   • A capacidade de comutação rápida reduz perdas e permite frequências de operação mais altas, essencial para aplicações modernas.

5. Redução de Tamanho e Peso dos Componentes:

   • Dispositivos de potência SiC permitem a redução do tamanho e do peso dos componentes periféricos, como transformadores e capacitores, devido à sua alta eficiência e velocidade de operação.

O que é o Diodo de Barreira Schottky de SiC?

Os Diodos de Barreira Schottky (SBD) de SiC combinam alta velocidade com alta tensão de ruptura. Diferentemente dos SBDs de Si, que têm tensões de ruptura limitadas a cerca de 200V, os SBDs de SiC podem operar com tensões muito mais altas devido à maior intensidade do campo elétrico de ruptura do SiC. Além disso, os SBDs de SiC apresentam menor corrente de recuperação reversa e menor tempo de recuperação reversa (trr), o que resulta em menores perdas e maior eficiência em aplicações de alta frequência.

Características dos SBDs de SiC

1. Estrutura e Funcionamento:

   • Os SBDs de SiC são compostos por uma junção Schottky entre um metal e o semicondutor SiC, permitindo a passagem de corrente principalmente através dos elétrons, que são portadores majoritários.
   • A ausência de portadores minoritários (buracos) nos SBDs de SiC resulta em tempos de recuperação reversa muito menores comparados aos diodos de junção PN de Si.

2. Alta Velocidade:

   • Os SBDs de SiC operam em alta velocidade devido à ausência de portadores minoritários, o que minimiza a recuperação reversa.
   • A alta velocidade de comutação dos SBDs de SiC os torna ideais para aplicações de alta frequência, como conversores de energia e fontes de alimentação comutadas.

3. Alta Tensão de Ruptura:

   • Com um campo elétrico de ruptura superior, os SBDs de SiC podem ser utilizados em aplicações de alta tensão sem comprometer a eficiência.
   • A alta tensão de ruptura permite a utilização dos SBDs de SiC em aplicações industriais e automotivas que requerem alta confiabilidade e robustez.

4. Menores Perdas:

   • A redução das perdas de recuperação reversa aumenta a eficiência global do sistema, reduzindo o aquecimento e melhorando a confiabilidade.
   • A baixa corrente de recuperação reversa dos SBDs de SiC contribui para a redução das perdas de comutação, aumentando a eficiência energética.

Comparação com SBDs de Si e Diodos de Junção PN de Si

• Velocidade de Comutação:

  • Os SBDs de SiC apresentam tempos de recuperação reversa (trr) significativamente menores comparados

  aos diodos de junção PN de Si, como os diodos de recuperação rápida (FRD).

  • A menor trr dos SBDs de SiC resulta em menores perdas de comutação, aumentando a eficiência em aplicações de alta frequência.

• Tensão de Ruptura:

  • Enquanto os SBDs de Si têm tensões de ruptura limitadas a cerca de 200V, os SBDs de SiC podem operar com tensões de ruptura superiores a 600V.
  • A alta tensão de ruptura dos SBDs de SiC permite sua utilização em aplicações que exigem alta tensão e alta eficiência, como inversores e conversores de energia.

• Perdas de Recuperação Reversa:

  • Os SBDs de SiC têm perdas de recuperação reversa significativamente menores comparadas aos diodos de junção PN de Si.
  • A redução das perdas de recuperação reversa contribui para a eficiência energética e a confiabilidade do sistema.

O que é o SiC MOSFET?

Os MOSFETs de SiC são transistores de efeito de campo que utilizam o SiC como material semicondutor, oferecendo vantagens sobre os MOSFETs de Si e os IGBTs, especialmente em aplicações de alta tensão. Eles possuem menor resistência de condução, maior velocidade de comutação e melhor desempenho em altas temperaturas. Comparados aos IGBTs, os MOSFETs de SiC reduzem significativamente as perdas de desligamento e permitem frequências de comutação mais altas, contribuindo para a miniaturização dos equipamentos.

Características dos MOSFETs de SiC

1. Alta Tensão de Ruptura:

   • Os MOSFETs de SiC são ideais para aplicações acima de 600V, como inversores de energia e sistemas de transmissão de energia.
   • A alta tensão de ruptura permite a utilização dos MOSFETs de SiC em aplicações industriais e automotivas que requerem alta confiabilidade e robustez.

2. Baixa Resistência de Condução:

   • Os MOSFETs de SiC possuem uma resistência de condução significativamente menor comparada aos Super-Junction MOSFETs de Si.
   • A baixa resistência de condução dos MOSFETs de SiC contribui para a redução das perdas de condução, aumentando a eficiência energética.

3. Comutação Rápida:

   • A capacidade de comutação rápida dos MOSFETs de SiC permite frequências de operação mais altas, reduzindo o tamanho e o custo dos componentes passivos associados, como transformadores e capacitores.
   • A comutação rápida dos MOSFETs de SiC reduz as perdas de comutação, aumentando a eficiência global do sistema.

4. Robustez em Altas Temperaturas:

   • Os MOSFETs de SiC operam de forma confiável em ambientes de alta temperatura, reduzindo a necessidade de sistemas de resfriamento complexos e melhorando a confiabilidade do sistema.
   • A alta robustez térmica dos MOSFETs de SiC permite a utilização em aplicações automotivas e industriais que exigem alta durabilidade e desempenho.

Comparação com MOSFETs de Si e IGBTs

• Resistência de Condução:

  • Os MOSFETs de SiC possuem uma resistência de condução significativamente menor comparada aos Super-Junction MOSFETs de Si.
  • A baixa resistência de condução dos MOSFETs de SiC contribui para a redução das perdas de condução, aumentando a eficiência energética.

• Velocidade de Comutação:

  • Os MOSFETs de SiC apresentam uma velocidade de comutação superior comparada aos IGBTs, permitindo frequências de operação mais altas.
  • A comutação rápida dos MOSFETs de SiC reduz as perdas de comutação, aumentando a eficiência global do sistema.

• Robustez Térmica:

  • Os MOSFETs de SiC operam de forma confiável em ambientes de alta temperatura, reduzindo a necessidade de sistemas de resfriamento complexos e melhorando a confiabilidade do sistema.
  • A alta robustez térmica dos MOSFETs de SiC permite a utilização em aplicações automotivas e industriais que exigem alta durabilidade e desempenho【9:12†source】【9:16†source】.

Estrutura dos MOSFETs de SiC

• Estrutura DMOS:

  • A estrutura DMOS (Double-diffused MOS) dos MOSFETs de SiC é uma arquitetura na qual a região de canal é formada por difusão dupla de dopantes, resultando em um canal lateral. Essa estrutura permite a fabricação de dispositivos com alta tensão de ruptura e baixa resistência de condução.
  • A estrutura DMOS é robusta e pode ser fabricada com técnicas de processamento padrão, facilitando a produção em massa de MOSFETs de SiC eficientes e confiáveis.

• Estrutura de Trincheira:

  • A estrutura de trincheira dos MOSFETs de SiC oferece uma resistência de condução ainda menor e melhor desempenho térmico comparada à estrutura DMOS.
  • A estrutura de trincheira é ideal para aplicações que exigem alta densidade de potência e eficiência energética.

O que é o Módulo de Potência Full-SiC?

Os módulos de potência Full-SiC integram MOSFETs e SBDs de SiC em um único módulo, otimizando o estágio de potência para aplicações de alta eficiência e alta densidade de potência. Esses módulos oferecem perdas de comutação significativamente menores, permitindo o uso de componentes periféricos menores e reduzindo o tamanho total do sistema. A utilização de drivers de gate especializados e capacitores snubber pode melhorar ainda mais o desempenho dos módulos Full-SiC, minimizando problemas como falsos acionamentos do gate.

Características dos Módulos Full-SiC

1. Redução das Perdas de Comutação:

   • Os módulos Full-SiC apresentam perdas de comutação reduzidas em até 77% comparado com módulos IGBT equivalentes, aumentando a eficiência global do sistema.
   • A redução das perdas de comutação permite a operação em frequências mais altas, reduzindo o tamanho e o custo dos componentes passivos associados.

2. Alta Frequência de Operação:

   • Os módulos Full-SiC suportam frequências de operação mais altas com menor aumento de perdas, permitindo maior eficiência e miniaturização dos componentes.
   • A alta frequência de operação dos módulos Full-SiC contribui para a redução do tamanho e do peso dos componentes periféricos, como transformadores e capacitores.

3. Miniaturização:

   • A alta eficiência e as menores perdas dos módulos Full-SiC permitem a redução do tamanho e do peso dos componentes periféricos, contribuindo para a miniaturização dos sistemas.
   • A miniaturização dos componentes periféricos reduz os custos de produção e melhora a eficiência energética dos sistemas.

Aplicações dos Módulos Full-SiC

1. Inversores de Energia:

   • Os módulos Full-SiC são ideais para inversores de energia que exigem alta eficiência e alta densidade de potência.
   • A alta eficiência dos módulos Full-SiC contribui para a redução das perdas de energia e a melhoria da confiabilidade dos inversores de energia.

2. Conversores de Energia:

   • Os módulos Full-SiC são utilizados em conversores de energia que exigem alta frequência de operação e alta eficiência.
   • A redução das perdas de comutação dos módulos Full-SiC melhora a eficiência global dos conversores de energia, contribuindo para a economia de energia.

3. Carregadores de Veículos Elétricos:

   • Os módulos Full-SiC são utilizados em carregadores de veículos elétricos que exigem alta eficiência e alta densidade de potência.
   • A alta eficiência dos módulos Full-SiC contribui para a redução do tempo de carregamento e a melhoria da eficiência energética dos carregadores de veículos elétricos.

Conclusão

Os dispositivos de potência baseados em SiC representam uma evolução significativa em relação aos dispositivos de potência tradicionais de Si. Com vantagens como alta eficiência, alta velocidade de comutação, operação em altas temperaturas e redução do tamanho dos componentes, os dispositivos de potência SiC estão se tornando essenciais em aplicações modernas que demandam alta performance e eficiência energética. A contínua evolução desses dispositivos promete ainda mais melhorias em eficiência e miniaturização, contribuindo para avanços significativos em diversas indústrias.

Vantagens Futuras e Pesquisas em Andamento:

1. Integração com Novos Materiais:

   • A pesquisa contínua em materiais semicondutores está focada na integração do SiC com outros materiais avançados, como o nitreto de gálio (GaN), para melhorar ainda mais a eficiência e o desempenho dos dispositivos de potência.

2. Desenvolvimento de Novas Estruturas:

   • O desenvolvimento de novas estruturas de dispositivos, como MOSFETs de canal vertical e diodos de barreira Schottky aprimorados, está em andamento para maximizar as vantagens do SiC.

3. Aplicações em Novos Mercados:

   • O uso de dispositivos de potência SiC está se

   expandindo para novos mercados, como a energia renovável e os sistemas de armazenamento de energia, onde a eficiência energética e a confiabilidade são cruciais.

A combinação dessas inovações e avanços tecnológicos garantirá que os dispositivos de potência SiC continuem a desempenhar um papel vital na transformação do setor de energia, proporcionando soluções mais eficientes e sustentáveis para um futuro energético mais brilhante.

Sobre o Autor

Carlos Delfino

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Um Eterno Aprendiz.
Professor de Introdução a Programação, programação com JavaScript, TypeScript, C/C++ e Python
Professor de Eletrônica Básica
Professor de programação de Microcontroladores.

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