A Infineon introduziu seus primeiros chips feitos de carboneto de silício (SiC) há mais de 20 anos e há muito tempo elogia o material como o futuro da eletrônica de potência. Agora muito mais empresas estão se animando.
Mais notavelmente, fabricantes de automóveis como GM e Tesla estão investindo em chips feitos de SiC em uma tentativa de construir veículos elétricos (EVs) que podem viajar mais longe com uma carga e recarregar mais rapidamente quando a bateria está esgotada.
Peter Friedrichs, vice-presidente de negócios de SiC da Infineon, disse que o carboneto de silício é uma mudança geracional na comutação de energia em tensões de 650 V ou acima que deve operar em altas temperaturas e em ambientes hostis. Ele observou que os dispositivos SiC têm propriedades físicas exclusivas que oferecem aos clientes a capacidade de espremer mais energia em envelopes mais compactos que pesam menos e geram menos calor, resultando em melhor densidade de energia.
Friedrichs disse que a Infineon vende SiC MOSFETs e outros dispositivos de energia para mais de 3.000 clientes hoje, incluindo Delta Electronics, Hyundai, SchneiderElectric e Siemens. Eles os estão construindo no coração de veículos elétricos, acionamentos de motores, inversores solares e fontes de alimentação de modo de comutação de nível industrial (SMPS) que exigem até dezenas de milhares de watts - e muitas dessas empresas não estão olhando para trás.
"Alguns clientes não querem falar sobre silício", disse Friedrichs no mês passado na APEC 2022.
A gigante dos semicondutores de energia lançou no mês passado uma nova série de SiCMOSFETs para tudo, desde EVs a inversores solares, assumindo MOSFETs e IGBTs padrão no mercado muito competitivo de dispositivos de 650 V.
Também está aumentando o investimento na produção de chips baseados em SiC - um material que funde silício e carbono ultraduro - em uma tentativa de aumentar o suprimento e reduzir o custo elevado de fabricação de dispositivos SiC.
Na APEC, a Infineon apresentou sua mais recente linha de MOSFETs SiC de 650 V, juntando os dispositivos de 1200 e 1700 V em uma família de produtos que usa sua tecnologia SiC trench MOSFET para aproveitar as vantagens inerentes do material.
Os novos chips são compactados em um pacote compacto D2PAK SMD de 7 pinos, contando com a tecnologia de interconexão XT da Infineon. Eles oferecem melhores características de comutação em correntes mais altas e 80% menos carga de recuperação reversa e carga de fonte de dreno do que os MOSFETs que usam silício legado. As interconexões se baseiam nas capacidades térmicas do pacote. Em comparação com uma interconexão padrão, até 30% da perda extra de energia pode ser dissipada.
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SiC é um semicondutor de banda larga, uma propriedade que ajuda a tolerar tensões mais altas - até milhares de volts - antes de quebrar e lidar com temperaturas mais altas - 175°C ou mais - do que os MOSFETs de silício.
Além da tolerância de alta tensão, os dispositivos SiC funcionam em frequências mais altas e com mais eficiência, sem as perdas indesejadas de IGBTs e MOSFETs padrão que dominam os veículos elétricos na estrada.
SiC também tem menos resistência no estado em níveis de tensão mais altos, o que leva a menores perdas de condução, maior densidade de corrente e dissipa mais calor ao regular ou converter eletricidade de um nível para outro. Além disso, o SiC oferece velocidades de comutação mais rápidas do que os MOSFETs e IGBTs, o que permite cercar o estágio de potência imediato com componentes externos menores, como transformadores e passivos.
Dispositivos de energia baseados em SiC também perdem menos energia para aquecer, abrindo a porta para dissipadores de calor mais compactos e leves. Juntos, esses atributos se traduzem em economia de custos no nível do sistema, disseram especialistas do setor.
Apresentando uma ampla faixa de porta para fonte de -5 a 23 V e suportando um desligamento de 0 V e uma tensão limite de porta-fonte (VGS(th)) de 4 V , os 10 novos dispositivos também funcionam com ICs gate-driver MOSFET padrão.
O SiC MOSFET é o principal candidato a IGBTs em fontes de alimentação de alta tensão devido à diminuição das perdas de ativação e desativação em interruptores, o que pode ajudar a reduzir o peso e o volume das fontes de alimentação. O IGBT une a alta impedância de entrada e as rápidas velocidades de comutação dos MOSFETs com a alta condutividade de um transistor de junção bipolar (BJT) e pode fornecer dezenas de milhares de watts de potência para carros elétricos.
No entanto, os engenheiros estão menos acostumados com as desvantagens de projetar com dispositivos SiC, que são relativamente novos no mundo dos semicondutores de potência. Os IGBTs também permanecem populares porque não são tão caros quanto os SiCMOSFETs.
Enquanto o IGBT está colocando EVs na estrada, Friedrichs disse que os dispositivos SiC estão impulsionando-os para o futuro.
Ele disse que os dispositivos SiC estão competindo por cerca de 80% da eletrônica de potência no coração do trem de força em veículos elétricos, incluindo o principal inversor de tração que converte a corrente contínua (dc) armazenada na bateria do carro em corrente alternada (ac) e alimenta o motor elétrico girando as rodas. Esses chips também estão lutando por vitórias de design em outras partes do EV, como o carregador integrado e os conversores CC-CC.
A Infineon afirmou anteriormente que o SiC pode ajudar a aumentar a autonomia dos veículos elétricos com uma única carga em 5% a 10%, ou dar aos fabricantes de automóveis a capacidade de usar baterias menores, mais leves e menos dispendiosas.
A Infineon não está sozinha no fornecimento de carboneto de silício para o mercado de veículos elétricos. No ano passado, a GM concordou em comprar dispositivos SiC da Wolfspeed para a eletrônica de potência integrada no sistema Ultium Drive da GM.
O mercado de dispositivos SiC somente em veículos elétricos ultrapassará US$ 2,5 bilhões em 2030, de acordo com estimativas da Exawatt.
Os novos MOSFETs da Infineon trazem as vantagens do SiC para topologias de comutação rígida e ressonante em fontes de alimentação industriais e de data centers, inversores solares e outras infraestruturas de energia renovável e acionamentos de motores.
Eles também oferecem proteção aprimorada contra avalanche - quando a tensão de ruptura do MOSFET é excedida - e curtos-circuitos. Assim, eles são ideais para topologias de fonte de alimentação com comutação difícil repetitiva e sistemas que precisam ser construídos de forma mais robusta para suportar ambientes mais difíceis, como sob o capô de carros e caminhões elétricos, no chão de fábrica ou no calor escaldante de uma fazenda solar.
Os dispositivos de 650 V suportam topologias bidirecionais para reduzir o custo do sistema e facilitar a integração.
Friedrichs disse que a Infineon está tentando ficar um passo à frente dos desafios de powerdesign com os novos dispositivos SiC. Por exemplo, a empresa está prestes a lançar a segunda geração de sua exclusiva tecnologia SiC trench MOSFET em 2022, que trará novos níveis de densidade de energia e eficiência de energia.
Mas ele disse que também está procurando se manter à frente da demanda global por carboneto de silício enquanto as indústrias correm para reduzir suas pegadas de carbono. A Infineon planeja investir mais de US$ 2 bilhões para aumentar sua produção de SiC e GaN.
Além disso, a Infineon já está planejando converter uma parte da capacidade de produção de 200 e 300 mm em sua fábrica em Villach, na Áustria, onde iniciou a produção em volume apenas no ano passado, para dispositivos SiC e GaN.
O desafio à frente é garantir que a economia de custo no nível do sistema supere o custo mais alto de fabricação de dispositivos SiC. A Infineon e outras empresas estão tomando medidas para fechar a lacuna de custo com o silício, mas ainda faltam anos para eliminá-la completamente, de acordo com analistas.
As empresas há muito entendem como criar SiC misturando silício e carbono em um forno escaldante. Mas é significativamente mais duro e quebradiço do que o silício e, portanto, é mais difícil serrar, retificar e polir a superfície de um wafer sem deixar arranhões que possam prejudicar o desempenho ou a eficiência de energia dos dispositivos de energia. O resultado é que tende a custar muito mais fabricar SiC em grandes quantidades.
Os executivos disseram que a Infineon tem truques na manga. A empresa está aumentando a produção com uma tecnologia chamada Cold Split para cortar wafers com mais cuidado de pilares de carboneto de silício bruto em um processo análogo à separação de ardósia de rocha. O Cold Split promete dobrar o número de chips que podem ser cortados de um wafer de SiC, ajudando a aumentar a produção e aumentar a economia de custos.
A Infineon disse que está se preparando para produção em volume com a tecnologia Cold Split em 2023.
