A tecnologia de bateria de carbeto de silício permite maior autonomia de condução para veículos elétricos

Os semicondutores de potência de carbeto de silício estão ajudando os veículos elétricos (VEs) a obterem maior autonomia ao aprimorar os principais componentes dos VEs, como o inversor de tração, o conversor CC/CC e o carregador de bordo.

Os dispositivos SiC apresentam tensão de ruptura mais alta e resistência reduzida, o que permite que eles operem em velocidades de comutação mais rápidas para melhorar a eficiência da conversão de energia e aprimorar o desempenho da bateria de veículos elétricos, reduzindo os custos operacionais durante o ciclo de vida do veículo. Isso resulta em um melhor desempenho da bateria e, ao mesmo tempo, na redução das despesas operacionais ao longo do tempo.

Eletrônica de potência

O carbeto de silício (SiC) está revolucionando a eletrônica de potência ao oferecer desempenho superior em aplicações importantes. Os eficientes recursos de processamento de eletricidade do SiC o tornam ideal para aplicações de controle de bateria que aumentam a autonomia dos veículos elétricos e permitem taxas de carregamento mais rápidas, como o controle de bateria.

Os dispositivos SiC podem ajudar os EVs a atender a essa necessidade crescente, otimizando os processos de conversão e distribuição de energia para atingir o alcance máximo de condução, com menos perdas de comutação e perdas de condução do que as alternativas baseadas em silício.

Os dispositivos de SiC operam em temperaturas operacionais mais altas do que os dispositivos de silício, o que permite que eles trabalhem em frequências muito mais altas e, portanto, possibilitem um projeto de circuito menor, mais leve e mais compacto, economizando custos por meio de projetos mais simples e mais confiáveis e da redução das necessidades de resfriamento.

A alta tensão de ruptura do SiC permite que ele resista a correntes e tensões muito mais altas usadas em aplicações de energia de veículos elétricos, o que significa que dispositivos mais baratos, mais finos e mais compactos podem ser fabricados para aplicações que vão desde o inversor de tração até o carregador de bordo.

Esses componentes eletrônicos de potência são essenciais para ajudar os VEs a percorrerem distâncias maiores entre as cargas, aliviando, assim, a ansiedade da autonomia e acelerando a transição para a mobilidade ecológica. O SiC tem características de desempenho exclusivas, incluindo maior eficiência e densidade de potência, custos mais baixos e maior confiabilidade, o que pode revolucionar esse setor.

A Yole Developpement prevê que o silício permanecerá dominante no mercado multibilionário de semicondutores; no entanto, a Yole prevê que o SiC e outros materiais de banda larga (WBG), como o nitreto de gálio, crescerão substancialmente na eletrônica de potência de veículos elétricos em um futuro próximo. O desempenho superior e a competitividade de custos do SiC o tornam o candidato ideal para impulsionar a inovação nesse setor.

Enquanto os semicondutores de silício comerciais normalmente suportam temperaturas de até 175 graus Celsius sem sofrer degradação, o SiC pode tolerar temperaturas muito mais altas sem perder suas propriedades elétricas, oferecendo aos projetistas mais opções ao otimizar os processos de conversão de energia e otimizar a eficiência da bateria. O SiC também ajuda a prolongar a vida útil da bateria e a acelerar o tempo de carregamento.

Automotivo

Os OEMs automotivos que procuram adotar tecnologias de veículos elétricos (EVs) devem buscar constantemente tecnologias de conversão de energia mais eficientes e eficazes. Os semicondutores de carbeto de silício, como o SiC, têm muitos benefícios que, em breve, permitirão que eles substituam os dispositivos convencionais de silício em muitas áreas de um carro, especialmente nos componentes de conversão de energia.

Os chips de SiC têm a capacidade de suportar temperaturas mais altas, tensões maiores e taxas de comutação mais rápidas do que os dispositivos de silício (Si), ao mesmo tempo em que oferecem perdas de energia significativamente reduzidas; de fato, como resultado, ocorre até 50% menos desperdício de calor. Isso permite que as montadoras fabriquem conversores de energia menores e mais leves, o que possibilita que os veículos cheguem mais longe com uma única carga ou sejam recarregados mais rapidamente - oferecendo às montadoras opções para fabricar conversores de energia menores e mais leves para veículos mais longos ou processos de carregamento mais rápidos.

Um exemplo disso é o inversor de tração usado em veículos elétricos para alimentar o motor. Esse componente essencial depende de seis transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) de silício com diodos de modulação de largura de pulso que acionam motores modulados por largura de pulso; a substituição dos IGBTs por MOSFETs de SiC provou ser eficaz para reduzir o tamanho e o peso do inversor em 10% e, ao mesmo tempo, melhorar a eficiência da bateria em 50%.

As montadoras estão percebendo isso, e mais montadoras estão usando dispositivos SiC em seus conversores de energia, especialmente em seus inversores de tração (que alimentam os motores), para aproveitar esses benefícios. Um inversor de tração é um componente essencial em um veículo elétrico, pois determina a distância e a velocidade que um carro pode percorrer com uma carga e recarga.

Os inversores de tração exigem uma conversão de energia altamente eficiente em tensões mais altas do que a maioria dos componentes, necessitando de elementos de comutação com alta densidade de corrente e desempenho térmico, como o SiC. Outros materiais semicondutores oferecem condutividades inferiores em comparação com o Si, como o silício (Si).

Os fabricantes de SiC estão buscando cada vez mais parcerias com fabricantes de automóveis. Em alguns casos, essas parcerias assumem a forma de acordos de fornecimento tradicionais, enquanto em outros podem envolver colaborações estratégicas ou de P&D. Portanto, os produtores de SiC atuais e futuros devem desenvolver relacionamentos desde o início com os OEMs para garantir futuras oportunidades de negócios; isso permitirá que eles obtenham a proficiência técnica e a garantia de fornecimento necessárias para as plataformas de design automotivo.

Energia renovável

Os semicondutores de carbeto de silício (SiC) tornaram-se um componente importante da eletrônica de potência que converte, controla e distribui eletricidade. Embora o silício tenha sido tradicionalmente o material preferido para esses componentes, o SiC oferece melhor desempenho em temperaturas mais altas, tensões maiores e velocidades de comutação mais rápidas do que seu antecessor baseado em silício, criando sistemas de energia compactos mais eficientes, adequados para aplicações de energia renovável.

Isso inclui os estágios de potência usados para gerenciar a eletricidade de média tensão que flui dos painéis solares e das turbinas eólicas para a rede, em que os dispositivos de carbeto de silício podem ajudar a reduzir as perdas em até 50%, possibilitando atender aos padrões de eficiência emergentes sem aumentar o tamanho ou os custos do sistema.

Também foi demonstrado que os ânodos de carbeto de silício oferecem longa estabilidade cíclica com alta capacidade e segurança superior, e sua capacidade de limitar a expansão do volume durante o ciclo é um elemento essencial para a longevidade e a confiabilidade da bateria, ajudando a minimizar as perdas de capacidade e as taxas de falha precoce das células.

As baterias de silício-carbono apresentam uma pegada menor e impactos ambientais reduzidos do que as baterias de íons de lítio, que não são renováveis e são altamente poluentes. Como resultado, a tecnologia de silício-carbono atraiu investimentos consideráveis, como o anúncio da Honor de incorporar uma em seu mais recente smartphone carro-chefe.

A SiC também está revolucionando a forma como os veículos elétricos (EVs) são alimentados. Os chips de SiC estão sendo integrados à eletrônica de potência para controladores de motores de tração e carregadores de bordo para proporcionar um gerenciamento de energia mais eficiente, levando a uma maior autonomia de condução - uma das principais barreiras para a adoção mais ampla de EVs e para aliviar a ansiedade do consumidor em relação à autonomia.

O SiC pode acelerar drasticamente as velocidades de carregamento da bateria em até 50%, ajudando a reduzir os tempos de carregamento e a aumentar o alcance dos veículos elétricos. Além disso, o uso de SiC nos principais componentes eletrônicos de potência, como inversores e módulos de potência, ajuda a diminuir consideravelmente o peso e o tamanho, contribuindo ainda mais para maior eficiência e alcance.

A ON Semiconductor aumentou a produção de chips SiC para atender à crescente demanda em aplicações de eletrônica de potência. Eles já colaboram com grandes fabricantes de automóveis, como a Tesla, para adicioná-los aos inversores de tração do Modelo 3 para melhorar o alcance.

Armazenamento de energia

O carbeto de silício (SiC) está revolucionando a forma como a eletricidade é convertida, controlada e distribuída. Oferecendo uma tensão de ruptura mais alta, velocidades de chaveamento mais rápidas e menor resistência de ativação do que seus antecessores de silício (Si), o SiC oferece soluções eletrônicas de potência mais eficientes do que nunca, com dimensões menores e maior compactação. Os dispositivos SiC encontraram ampla aplicação em sistemas de armazenamento de energia, como sistemas de carregamento de veículos elétricos ou soluções de armazenamento de energia solar com armazenamento de energia de bateria que exigem alta eficiência e densidade de potência com maior confiabilidade e custos mais baixos - ambos os dispositivos SiC podem atender a essas demandas com confiabilidade superior e, ao mesmo tempo, oferecer maior densidade de potência com níveis de eficiência/densidade/custo de sistema mais altos do que nunca!

Os semicondutores SiC estão se tornando uma parte fundamental dos inversores de energia de veículos elétricos que controlam os motores de tração e os carregadores de bordo, aumentando a autonomia em comparação com os motores de carros convencionais e diminuindo o tempo de carregamento, ajudando a combater a ansiedade do consumidor em relação à autonomia e acelerando a transição para a mobilidade elétrica.

A tecnologia SiC na eletrônica de potência de veículos elétricos também resulta em redução de tamanho e peso, levando a veículos mais eficientes em termos de combustível, com menos emissões de carbono e custos associados à sua conversão e distribuição. O SiC também é capaz de aumentar a eficiência por meio de processos aprimorados de conversão e distribuição, reduzindo as emissões de carbono e os custos ao aprimorar os processos de conversão e as redes de distribuição.

À medida que a sociedade se afasta dos combustíveis fósseis e se volta para as energias renováveis, os sistemas de armazenamento de baterias precisam se tornar cada vez mais eficientes para armazenar a energia gerada por painéis eólicos ou solares. Os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) de SiC oferecem maior capacidade de corrente/tensão, maior densidade de potência e velocidades de comutação mais rápidas do que seus equivalentes de silício para a transmissão/distribuição confiável e eficiente de energias alternativas para a rede e os consumidores.

Os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) e os MOSFETs baseados em carbeto de silício (SiC) proporcionam um desempenho superior ao da tecnologia tradicional de silício, com comutação mais rápida, temperaturas mais baixas, capacidade de corrente aprimorada e perda reduzida. Isso resulta em maior confiabilidade e eficiência quando aplicados em soluções de fonte de alimentação, como carregadores de bordo, conversores CC/CC para equipamentos industriais, inversores solares na rede, máquinas de solda ou fontes de alimentação ininterruptas.

Prevê-se que os semicondutores SiC sejam rapidamente adotados em vários segmentos de mercado e áreas de aplicação, incluindo veículos elétricos, painéis de energia solar, instalações industriais e sistemas de armazenamento de energia em baterias. Atualmente, o SiC está sendo utilizado em inversores de tração, conversores CC-CC e carregadores de bordo de veículos elétricos para aumentar a autonomia de condução e, ao mesmo tempo, diminuir o peso, os requisitos de espaço e o custo, além de melhorar a eficiência do veículo ao reduzir o tempo de carregamento das baterias.