Módulos de Potência SiC de Alta Tensão Impulsionam Sistemas de Armazenamento de Energia Renovável

Imagine uma cidade movimentada em uma noite quente de verão, com os aparelhos de ar-condicionado operando no máximo e veículos elétricos sendo carregados para as atividades do dia seguinte. À medida que a demanda por energia aumenta, há o risco de quedas de tensão, mas felizmente, esses eventos podem ser evitados, em parte, graças à presença dos sistemas de armazenamento de energia em baterias (BESS) (Figura 1).

Essas unidades do tamanho de contêineres armazenam a energia elétrica gerada por fontes convencionais e por fontes renováveis nos períodos em que a produção supera o consumo, e a devolvem ao sistema elétrico conforme necessário, funcionando como estoques de energia para atender à demanda nos horários de pico.

Diversas características tornam os BESS atraentes:

• Alta densidade de energia e alta eficiência no armazenamento e fornecimento de energia
• Estrutura modular e de fácil transporte
• Adaptabilidade a diferentes necessidades da rede elétrica e locais de instalação — internos ou externos
• Escalabilidade em tamanho total e capacidade
• Baixa necessidade de manutenção e tempo de inatividade
• Operação silenciosa e livre de emissões

À medida que essa tecnologia continua a impactar aplicações em redes elétricas inteligentes e em outras áreas do setor energético, é essencial que as soluções acompanhem esse avanço. Este artigo analisa como os módulos de potência em carboneto de silício (SiC) impulsionam os BESS, com foco em eficiência, escalabilidade e confiabilidade do sistema, destacando módulos versáteis da Wolfspeed.

SiC fortalece a tecnologia de comutação de potência

A viabilidade de implementar um projeto de BESS se deve a vários fatores. O primeiro, claro, é a crescente necessidade da função que ele desempenha, especialmente quando utilizado em conjunto com outras fontes de energia. No entanto, a demanda por si só não basta — o sistema também depende de componentes eletrônicos, que vão desde conectores passivos e dispositivos de proteção de circuito até os elementos ativos responsáveis pelo controle de potência, essenciais para transformar a energia DC armazenada em eletricidade utilizável.

Cada vez mais, entre esses componentes, destaca-se o dispositivo de comutação de potência baseado na tecnologia de carbeto de silício (SiC). O SiC oferece diversas vantagens superiores em comparação aos dispositivos convencionais baseados apenas em silício.

O carbeto de silício (SiC) possui uma tensão de ruptura muito mais elevada e uma energia de gap de banda mais ampla do que o silício. Isso permite que componentes em SiC operem em tensões mais altas, com menor corrente de fuga e maior eficiência em aplicações de alta potência. Sua estabilidade térmica e condutividade superiores (~3,7 W/cm·K contra 1,5 W/cm·K no caso do silício) permitem que dispositivos de SiC sejam utilizados em temperaturas de junção acima de 200 °C em alguns casos, o que reduz a necessidade de dissipadores de calor maiores. No entanto, os limites reais de temperatura dependem do projeto do dispositivo e das especificações do fabricante. Além disso, o SiC apresenta menores perdas de condução devido à sua menor resistência em estado ligado (RDS(on)) — geralmente de 2 a 3 vezes inferior à dos dispositivos à base de silício em altas tensões. Por fim, o SiC pode operar com velocidades de chaveamento até 5 a 10 vezes maiores que os IGBTs de silício, proporcionando uma eficiência operacional significativamente superior.

A Inovação da Wolfspeed Faz a Diferença

Mesmo um dispositivo de SiC superior não é, por si só, um componente de potência “plug and play” na aplicação final. Um projeto completo de conversão de energia exige muita atenção ao layout, ao substrato, aos componentes de suporte, à gestão térmica e a diversos outros aspectos. Por isso, módulos de potência completos e prontos para uso são uma opção atrativa para clientes que planejam utilizar dispositivos de SiC.

É nesse contexto que os módulos de potência em carboneto de silício WolfPACK™, da Wolfspeed, são um avanço para sistemas de armazenamento de energia e outras aplicações. Os módulos de 2300V sem base metálica, desenvolvidos para aplicações com barramento de 1500VDC, foram projetados com dispositivos fabricados em pastilhas de carboneto de silício de 200mm de última geração da Wolfspeed (Figura 2), aumentando o rendimento e reduzindo os custos de fabricação.

Os benefícios desses módulos de potência são evidentes: eles aumentam a eficiência do sistema, elevam a densidade de potência, reduzem a quantidade de componentes passivos e diminuem o custo total da solução. Como um projeto discreto consolidado em um único encapsulamento, o módulo também incorpora um termistor com coeficiente de temperatura negativo (NTC), facilitando a medição da temperatura do módulo.

Os módulos WolfPACK estão disponíveis nas configurações half-bridge (meia ponte), six-pack (seis transistores) e tipo T, sendo que os módulos half-bridge já foram lançados para aplicações com barramento de 2300V (Figura 3). Todos os módulos oferecem a opção de material de interface térmica (TIM) pré-aplicado. Essa tecnologia proporciona uma redução de 77% nas perdas por comutação em relação aos IGBTs e uma redução de 2 a 3 vezes nas perdas por comutação quando comparada a outros dispositivos de SiC disponíveis para aplicações de 1500V. A configuração half-bridge de 2300V está atualmente disponível em um encapsulamento compacto com dimensões de aproximadamente 57 mm × 63 mm e altura de 12 mm.

Essa tecnologia viabiliza o uso de módulos de potência como blocos de construção para implementações de sistemas altamente modulares e flexíveis, facilitando a expansão para instalações de maior porte. A escalabilidade é alcançada por meio da simplificação do projeto, resultando em sistemas padronizados de fácil manutenção e rápida implementação. Isso permite que os projetistas utilizem placas de circuito impresso (PCBs) de menor custo, reduzindo os custos de fabricação e encurtando significativamente o tempo de desenvolvimento em comparação com soluções legadas.

Os módulos de 2300V da Wolfspeed oferecem suporte à topologia de dois níveis, que simplifica o projeto do sistema e reduz a quantidade de drivers de porta em relação às configurações de três níveis baseadas em IGBTs. Quando utilizados em arquiteturas de dois níveis, esses módulos também reduzem os possíveis pontos de falha do sistema. Os projetistas que utilizam esses módulos contam com amplo suporte técnico, incluindo modelos Spice e térmicos, detalhes sobre drivers e interfaces, especificações de montagem, notas de aplicação sobre gerenciamento térmico, análise de parasitas, considerações sobre EMI, entre outros recursos.

Desempenho Comprovado em Sistemas de Energia Renovável de Próxima Geração

Os benefícios dos módulos da Wolfspeed já estão transformando o setor. A empresa fez parceria com a EPC Power, referência em soluções de conversão de energia, para lançar o sistema M — uma plataforma de inversores de energia renovável de nova geração projetada para otimizar o armazenamento de energia em nível de rede elétrica.^[1]

Baseado nos módulos de potência WolfPACK de 2300V da Wolfspeed, esse sistema oferece uma flexibilidade incomparável por meio de sua construção modular, permitindo configurações que vão desde um único bloco inversor de 5,3 megavolt-ampère até 10 inversores independentes de 537 quilovolt-ampère. Sua arquitetura inovadora foi pensada para simplificar a produção, reduzir o espaço ocupado e maximizar a rentabilidade, entregando os mais altos níveis de confiabilidade, disponibilidade e eficiência.

As soluções em SiC da Wolfspeed estão ajudando a preencher a lacuna da energia limpa, acelerando a próxima era das tecnologias energéticas modernas e reforçando a liderança da indústria norte-americana nesse campo. Como pioneira em carbeto de silício, a Wolfspeed está criando soluções para viabilizar uma nova era de geração e distribuição de energia. Eficiência energética, confiabilidade e escalabilidade estão no centro da estratégia da empresa, que reconhece as vantagens substanciais que os módulos de SiC oferecem.

Autor

Bill Schweber é colaborador da Mouser Electronics e engenheiro eletrônico, com três livros didáticos publicados sobre sistemas de comunicação eletrônica, além de centenas de artigos técnicos, colunas de opinião e matérias sobre produtos. Em cargos anteriores, atuou como editor técnico de diversos sites temáticos da EE Times e também como Editor Executivo e Editor de Analógicos na revista EDN.

Na Analog Devices, Inc. – uma das líderes em circuitos integrados analógicos e de sinal misto – Bill trabalhou na área de comunicação de marketing (relações públicas), tendo vivenciado ambos os lados da função de PR técnico: tanto apresentando produtos e mensagens da empresa à imprensa quanto recebendo esse tipo de conteúdo como jornalista.

Antes de atuar com comunicação na Analog, foi editor associado do conceituado jornal técnico da empresa, além de ter passado pelos departamentos de marketing de produto e engenharia de aplicações. No início da carreira, trabalhou na Instron Corp., desenvolvendo circuitos analógicos e de potência e realizando integração de sistemas para controles de máquinas de teste de materiais.

Bill é Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade de Massachusetts e Bacharel pela Universidade Columbia. É engenheiro profissional registrado e possui licença de rádio amador classe avançada. Também planejou, escreveu e apresentou cursos online sobre diversos temas de engenharia, como fundamentos de MOSFETs, seleção de conversores analógico-digitais (ADCs) e acionamento de LEDs.

Artigo escrito por Bill Schweber e publicado no blog da Mouser Electronics: High-Voltage SiC Power Modules Advance Renewable Energy Storage SystemsTraduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados