Condensadores electrolíticos de alumínio de polímero
Apoiando a transição dos combustíveis fósseis com o poder dos componentes eletrônicos
Quais são as condições para aumentar a eficiência da conversão de energia e acionamentos de motores e para expandir o uso de semicondutores de potência de SiC e GaN?
Os governos de todo o mundo e as empresas de todos os sectores e negócios estão a unir esforços para alcançar a neutralidade de carbono (Fig. 1). Estão a ser tomadas todas as medidas de descarbonização multifacetadas possíveis. Estas incluem, por exemplo, a utilização de energias renováveis, como a energia solar, a eletrificação de equipamentos que anteriormente eram utilizados através da queima de combustíveis fósseis e a redução do consumo de energia de dispositivos existentes, como electrodomésticos, equipamento informático e motores industriais.
Vários países e regiões introduziram mecanismos de fixação de preços do carbono como sistemas para transferir as emissões de gases com efeito de estufa das actividades empresariais para os custos. Como resultado, para além de serem significativas como contribuição social, as iniciativas de carbonização têm agora um impacto numérico claro nas demonstrações financeiras que servem como um boletim para a gestão empresarial.
Mudança total de modelo nos materiais semicondutores pela primeira vez em 50 anos
Tem havido um aumento da atividade nos esforços de descarbonização. Neste contexto, há um domínio dos semicondutores em que o ritmo da inovação tecnológica está a acelerar rapidamente. Trata-se do domínio dos semicondutores de potência.
Os semicondutores de potência são dispositivos semicondutores que desempenham o papel de gerir, controlar e converter a energia necessária ao funcionamento de equipamentos eléctricos e electrónicos. Estes dispositivos estão integrados nos chamados circuitos de eletrónica de potência. Estes circuitos incluem circuitos de potência que fornecem energia de forma estável a electrodomésticos e equipamento informático, circuitos de conversão de energia para transmitir e distribuir energia sem desperdício e circuitos que accionam motores com elevada eficiência a um binário e velocidade de rotação que podem ser controlados livremente. Estes semicondutores de potência, que são dispositivos fundamentais para a realização de uma sociedade sustentável, começaram agora a sofrer uma mudança completa de modelo, que ocorre uma vez em cada 50 anos.
Os semicondutores de potência têm várias estruturas de dispositivos, incluindo MOSFET*1, IGBT*2 e díodos. São utilizados de forma diferente consoante o objetivo. No entanto, embora a estrutura seja diferente, o silício (Si) tem sido utilizado de forma consistente há mais de 50 anos como material de dispositivo. Isto porque o Si tem boas caraterísticas eléctricas e tem a propriedade de ser fácil de processar em várias estruturas de dispositivos ao mesmo tempo.
*1: Um transístor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico (MOSFET) é um tipo de transístor de efeito de campo. Funciona como um interrutor elétrico. Estes transístores são constituídos por três camadas: um metal, um óxido e um semicondutor. A corrente é ligada e desligada através da aplicação de uma tensão ao elétrodo chamado porta.
*2: Um transístor bipolar de porta isolada (IGBT) é um transístor com uma estrutura que combina um MOSFET e um transístor bipolar. Caracteriza-se por combinar o funcionamento a alta velocidade do MOSFET com a elevada tensão de resistência e a baixa resistência do transístor bipolar.
No entanto, os semicondutores de potência à base de Si já não são capazes de satisfazer o elevado nível de requisitos técnicos para reduzir ainda mais o consumo de energia de vários equipamentos eléctricos e electrónicos. Para ultrapassar esta situação, estão a ser feitos progressos na utilização de novos materiais, como o carboneto de silício (SiC) e o nitreto de gálio (GaN), que são mais adequados do que o Si como materiais para semicondutores de potência. O SiC e o GaN têm múltiplas propriedades físicas e caraterísticas adequadas para semicondutores de potência. Estas incluem a intensidade do campo de rutura dieléctrica (afecta a tensão de resistência), a mobilidade (afecta a velocidade de funcionamento) e a condutividade térmica (afecta a fiabilidade). Se conseguirmos desenvolver um dispositivo que realce estas excelentes caraterísticas, poderemos obter semicondutores de potência com um desempenho ainda mais elevado.
Os MOSFETs e díodos baseados em SiC já foram comercializados. Estão a ser utilizados em inversores de motores de veículos eléctricos, conversores CC/CA em condicionadores de energia para produção de energia solar e outros equipamentos. Os HEMT*3 baseados em GaN também já foram comercializados. Estão agora a ser utilizados em conversores CA para PCs ultra-pequenos, carregadores para smartphones e outros equipamentos.
*3: Um transístor de elevada mobilidade eletrónica (HEMT) é um transístor de efeito de campo que permite a comutação a alta velocidade através da junção de semicondutores com propriedades diferentes para induzir electrões com elevada mobilidade.
A evolução dos condensadores, indutores e outros equipamentos é essencial para extrair o potencial do SiC e do GaN
Não é possível explorar todo o potencial excecional dos semicondutores de potência fabricados com base em novos materiais simplesmente substituindo os dispositivos à base de Si nos circuitos de eletrónica de potência existentes. Isto porque os outros circuitos integrados de semicondutores, os componentes passivos e mesmo o software de controlo que compõem os circuitos de eletrónica de potência foram desenvolvidos e selecionados no pressuposto de que seriam utilizados em semicondutores de potência à base de Si. É necessário voltar a desenvolver e a selecionar estes componentes periféricos também para utilizar eficazmente os novos semicondutores de potência à base de materiais.
Por exemplo, estão a ser utilizados numerosos HEMT GaN em circuitos conversores CA/CC que adoptaram HEMT GaN recentemente introduzidos para reduzir o consumo de energia nas fontes de alimentação dos servidores dos centros de dados (Fig. 2). É possível melhorar a frequência de comutação (frequência de funcionamento) dos circuitos de eletrónica de potência utilizando as caraterísticas dos HEMT GaN, na medida em que permitem uma comutação de alta velocidade a altas tensões. O valor da reactância dos condensadores integrados em circuitos e dos indutores em circuitos de processamento de sinais de reactores pode ser inferior em circuitos com uma frequência de funcionamento elevada. Em geral, os componentes de baixa reactância têm um tamanho reduzido. Por conseguinte, é possível reduzir o tamanho da placa de circuitos e melhorar a densidade de potência. Do mesmo modo, a introdução de MOSFET SiC mesmo em circuitos de inversores que accionam motores de veículos eléctricos e outros componentes permite reduzir o tamanho dos componentes periféricos e também permite que os circuitos de inversores globais sejam mais pequenos e mais leves.
Por outro lado, as fontes de alimentação de alta tensão e de comutação de alta velocidade podem produzir um elevado nível de ruído. Existe a possibilidade de o ruído afetar negativamente o funcionamento do equipamento periférico. As fontes de alimentação que incluem semicondutores de potência fabricados com SiC e GaN comutam a uma frequência ainda mais elevada. Por conseguinte, o risco de ocorrência de ruído aumenta ainda mais. Por conseguinte, é necessária uma supressão de ruído mais rigorosa do que quando se utilizam os circuitos electrónicos de potência existentes. Nessa altura, é necessário utilizar componentes de supressão de ruído concebidos para serem aplicados a circuitos de alta tensão, grande corrente e alta frequência, em vez de componentes para circuitos convencionais.
Além disso, há também necessidade de pequenos transformadores que funcionem a frequências ainda mais elevadas para transformadores que são componentes particularmente pesados, mesmo entre os componentes passivos. Os transformadores planos de baixo perfil e outros componentes já foram desenvolvidos e lançados no mercado com o pressuposto de que serão utilizados em semicondutores de potência baseados em SiC e GaN.
Atenção centrada na evolução dos componentes periféricos para além dos semicondutores de potência
Até à data, foram fabricados vários tipos de semicondutores, não limitados aos semicondutores de potência, com base em Si. Por conseguinte, muitos componentes electrónicos existentes foram desenvolvidos partindo do pressuposto implícito de que serão utilizados em combinação com semicondutores à base de Si. Poderá ser necessário desenvolver novos produtos para satisfazer os novos requisitos técnicos, em vez de se limitar a procurar produtos ainda melhores entre os componentes existentes, a fim de maximizar o efeito da introdução de semicondutores de potência fabricados com novos materiais.
Em geral, os semicondutores de potência à base de Si tendem a funcionar a velocidades mais baixas quanto maior for a tensão e a corrente que podem suportar (Fig. 3). Esta é a razão pela qual não existem suficientes condensadores e reactores pequenos que possam suportar altas tensões e grandes correntes. Além disso, há uma tendência para simplificar o sistema de dissipação de calor e reduzir o tamanho, o peso e o custo dos semicondutores de potência baseados em SiC que podem funcionar de forma estável a altas temperaturas. Nestes casos, os componentes passivos também precisam de ter uma fiabilidade elevada garantida num ambiente de alta temperatura.
A introdução de novos materiais no campo dos semicondutores de potência é um passo importante para atualizar o ecossistema elétrico e eletrónico que foi optimizado para materiais Si durante mais de 50 anos. Por isso, queremos também prestar muita atenção à evolução dos componentes electrónicos periféricos optimizados para novos materiais.
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