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sexta-feira, 23 de maio de 2014

Toyota e Denso Desenvolvem um Novo Semicondutor de Potência SiC

O novo semicondutor ou, de forma mais específica, o novo dispositivo semicondutor de eletrônica de potência, é para ser empregado nas chamadas Unidades de Controle de Fluxo de Energia (ou Unidades de Controle de Potência, em inglês, Power Control Unit (PCU)), que é um módulo de eletroeletrônica que existe nos Veículos Elétricos híbridos.

Seu emprego será, sobretudo, visando uma melhoria de cerca de 10% na eficiência de combustível destes veículos, além de reduzir volume e peso dos componentes de eletrônica de potência agregados ao veículo. Todavia, é bom esclarecermos que as PCUs existem não apenas nos Veículos elétricos híbridos mas, também nos Veículos Elétricos puros, aqueles que são movidos somente a partir da eletricidade armazenada em um pacote de baterias, e que não consomem nenhum tipo de combustível.

Quem tem acompanhado o desenvolvimento do mercado mundial de VEs nos últimos anos já deve ter percebido que uma característica sui generis da Toyota parece ser a de não querer ver o seu nome associado a grandes expectativas positivas com relação ao futuro do mercado dos VEs puros mas, ainda assim, ela apoia os VEs híbridos, com a produção da sua família de veículos denominada Prius, que no geral, são classificados pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos como veículos de ultra baixas emissões de poluentes.

Quanto aos VEs puros, a Toyota já teve no mercado norte americano, de 1997 a 2003, o Toyota RAV4 EV, que foi descontinuado desde então, mas que foi retomado com uma produção bastante limitada, de apenas 2600 unidades ano, em parceria com a Tesla Motors, como Toyota RAV4 EV de segunda geração, a partir de 2012. Devido a esse seu posicionamento político e comercial, ao lançar agora essa nova tecnologia de semicondutores de potência em parceria com a Denso, a Toyota menciona, apenas, aplicação para  carros híbridos.

Em 2013, em um discurso no The Economic Club of Washington D.C., o presidente da Toyota, Takeshi Uchiyamada, afirmou:

"A razão pela qual a Toyota não introduz qualquer grande [veículo elétrico puro] é porque não acreditamos que há um mercado para aceitá-lo."

A fim de esclarecer melhor a sua posição, Uchiyamada disse ainda que, pelo menos "duas descobertas" são necessárias antes de os veículos elétricos, puramente a bateria, estejam prontos para o mercado, e que essas duas "descobertas" se traduzem em duas etapas de novas tecnologias de bateria, ou seja, Uchiyamada não vê um mercado de veículos elétricos puros interessante, pelo menos, até meados da próxima década.

Veja também: Tipos de Veículos Híbridos e Terminologia

Não obstante, tanto em veículos elétricos híbridos, quanto em veículos de tração elétrica pura, a  unidade de controle de potência - PCU é um módulo de eletrônica de potência que fornece energia elétrica a partir da bateria para o motor, para controlar a velocidade / torque do veículo. Porém essa mesma unidade serve, também, para enviar de volta a eletricidade que é gerada no motor (que se torna qual um gerador), durante as desacelerações do veículo, para ser rearmazenada na bateria. Nos VEs puros, as PCUs são mais comumente denominadas pelo termo Inversor (em inglês, Inverter).

Uma unidade de controle de potência - PCU contém vários semicondutores de potência, como parte de seus componentes. Estes semicondutores de potência são, de fato, transistores e diodos, que formam circuitos eletrônicos que operam na regulação da potência, tanto no modo de tração, quanto no modo de frenagem do veículo, por meio de chaveamento.

Tais semicondutores de potência, em geral, até o presente momento, ainda são feitos com a tecnologia convencional de silício. É importante notar que, apenas esses semicondutores de potência correspondem por mais de 25% do total dos semicondutores empregados ​​em um VE, seja ele híbrido ou puro.

Dai a importância dessa evolução tecnológica, com a mudança do material empregado na construção de tais semicondutores de silício (Si) para carbeto de silício (SiC), o que corresponderá a uma enorme quebra de paradigmas, de modo que eu entendo que todos os que trabalham com tecnologia eletroeletrônica e com veículos auto motores precisam conhecer. Antes, porém, vejamos uma brevíssima introdução ao material empregado nessa tecnologia:

Carbeto de Silício (SiC):


O material Carbeto de Silício (SiC), também conhecido como carboneto (ou carbureto) de silício ou, ainda, carborundum, é um composto de silício e carbono, que ocorre na natureza como o mineral extremamente raro denominado Moissanita. O Carbeto de silício em pó, no entanto, tem sido produzido em massa, desde o final do século XIX, para o uso como um abrasivo.

Os grãos de carbeto de silício podem ser unidos, por um processo térmico denominado sinterização, para formar cerâmicas muito duras, que são amplamente utilizadas em aplicações que requerem alta resistência, tais como pastilhas de freios de automóveis, discos de embreagens e placas de cerâmica em coletes à prova de balas.

As aplicações eletrônicas mais conhecidas do carbeto de silício, como diodos emissores de luz (LEDs) e detectores em rádios, foram primeiramente demonstradas em torno de 1907, e hoje o SiC é amplamente utilizado na construção de dispositivos de eletrônica de potência, que se caracterizam pela performance em alta temperatura e alta tensão.

Grandes cristais simples de carbeto de silício podem ser cultivados pelo método Lely1; que podem ser cortados em gemas conhecidas como moissanita sintética. O carbeto de silício, com uma área superficial elevada, pode ser produzido a partir do SiO, contido em materiais vegetais.

O carbeto de silício existe em cerca de 250 formas cristalinas. O polimorfismo de SiC é caracterizado por uma grande família de estruturas cristalinas similares chamados politipos. Eles são variações do mesmo composto químico que são idênticos em duas dimensões, mas que diferem em três dimensões. Assim, eles podem ser vistos como camadas empilhadas em uma determinada sequência.

Uma estenografia tem sido desenvolvida para catalogar o grande número de possíveis estruturas cristalinas politipo: Vamos definir três estruturas de bicamada de SiC (que é de 3 átomos com duas ligações entre eles nas fotos abaixo) e classificá-los como A, B e C. Os elementos A e B não alteram a orientação da bicamada (exceto para possível rotação em 120 °, o que não muda a rede cristalina e é ignorado a seguir); a única diferença entre A e B é de mudança da rede cristalina. O elemento C, no entanto, torce a malha cristalina em 60 °.

2H-SiC
4H-SiC
6H-SiC

Usando esses A, B, C elementos, podemos construir qualquer politipo SiC. Mostrado acima são exemplos dos politipos hexagonais 2h, 4h e 6h como seriam escritos no esquema de classificação Ramsdell onde o número indica a camada ea letra indica a rede cristalina de Bravais.

A estrutura 2H-SiC é composta apenas de elementos A e B empilhados como ABABAB.

A célula unitária 4H-SiC é duas vezes mais longa, e sua a segunda metade é torcida em relação a estrutura 2H-SiC, formando o empilhamento ABCB.

A célula de 6H-SiC é o triplo da 2H-SiC, e a seqüência de empilhamento é ABCACB.

O cúbico 3C-SiC (não mostrado) tem empilhamento ABC.

Os maiores avanço na tecnologia de dispositivos semicondutores de potência na atualidade são esperados a partir da substituição do tradicional silício por semicondutores de intervalo de banda larga e, neste momento, o carbeto de silício (SiC) é considerado o material mais promissor.

Díodos de Schottky SiC, com tensão de ruptura de 1200 V já se encontram disponíveis comercialmente, tal como, também, um V 1200 JFET . Como ambos são dispositivos que conduzem portadores majoritários, eles podem operar em alta velocidade.

Dispositivos bipolares vêm sendo desenvolvidos para tensões mais elevadas (de até 20 kV). Entre as suas vantagens, o SiC pode operar a uma temperatura mais elevada (até 400 °C) e tem uma menor resistência térmica do que o silício, o que permite uma mais fácil refrigeração do dispositivo semicondutor.

Técnica de Controle de Potência com Conversores Estáticos:


Eletrônica de Potência é uma tecnologia utilizada no processamento da energia elétrica visando obter maior eficiência (menores perdas nos processos de conversão de energia) e qualidade (energia limpa em termos de impacto ambiental). Os métodos empregados em Eletrônica de Potência baseiam-se na utilização de dispositivos semicondutores operados em regime de chaveamento para realizar o controle do fluxo de energia entre fontes e cargas.


O termo “conversor estático” foi criado em contraponto aos conversores rotativos elétricos, de existência anterior, e que se caracterizam por apresentarem uma arquitetura que associa duas máquinas elétricas rotativas: uma operando como motor e outra operando como gerador, acopladas pelos respectivos eixos.

Empregando-se as atuais arquiteturas de conversores estáticos, não só é possível se realizar a dosagem da energia elétrica transferida, como também realizar qualquer tipo de modificação de formas de onda de tensões e correntes entre fontes e cargas, conforme mostra o diagrama a seguir:


Diferente dos antigos conversores rotativos elétricos, os conversores estáticos designam genericamente circuitos de eletrônica de potência que controlam o fluxo de potência entre uma fonte de energia elétrica e um consumidor de energia elétrica, operando na mudança do valor da tensão elétrica e / ou da forma de onda atual da fonte de energia por meio de uma sequência de comutações (chaveamento) de interruptores estáticos, que são chaves semicondutoras tais como transistor bipolar, MOSFET, tiristor SCR, GTO, ou semicondutores de potência de tecnologia híbrida como os IGBT, MCT, IGCT, etc.

Os componentes semicondutores que operam em modo de comutação (operados como chaves), o ciclo de trabalho, que é a razão entre o tempo em que o semicondutor está comandado para o estado de condução e o tempo em que o semicondutor está comandado para o estado de bloqueio, e, eventualmente também a frequência desse chaveamento, são alterados através da aplicação de sinais de controle, provendo assim uma eficiente regulação, por exemplo, da potência de saída, fazendo compensações em função da demanda e das condições da carga.

Assim, as Unidades de Controle de Potência empregada nos VEs são, genericamente, independentes se chamarmos elas pelo termo "Inversor" ou por outro termo qualquer, conversores estáticos, que operam dentro dos termos explicados acima.

Uma vez que as fontes de alimentação de energia elétrica são, tipicamente, de valor de tensão constante, sejam elas CA ou CC (tal qual é o caso do pacote de baterias dos VEs que apresenta entre os seus terminais de saída uma tensão elétrica contínua constante), caso seja preciso controlar (ou tão somente poder variar) a potência que aplicada a uma carga a partir daquela fonte, é necessário o emprego de algum tipo de dispositivo que seja capaz de "dosar" a quantidade de energia a ser transferida para a carga.

Se a variação ou controle for feito pela manipulação da tensão, o elemento de controle deve ter uma posição em série entre a fonte de alimentação e a carga, como indicado nas figuras a seguir:


Pode-se ter um elemento atuador linear (a), sobre o qual tem-se uma queda de tensão proporcional à sua impedância. Mas, no entanto, neste caso, a queda de tensão sobre a impedância do elemento atuador associada à corrente que flui por este e que segue suprindo a carga, certamente representará uma significativa perda de energia sobre o elemento atuador.

Diante deste problema, a maneira mais eficiente e simples de manobrar valores elevados de potência é por meio de chaves (b). Como uma chave ideal apresenta apenas dois estados estáveis:

  • Condução (a corrente é grande, porém a tensão sobre a chave é nula);
  • Bloqueio (a tensão é considerável, porém a corrente pela chave é nula).

Devido a variável nula e, como a potência dissipada sobre a chave resulta da multiplicação de ambas, então não existe dissipação de potência sobre ela em nenhuma das duas condições, garantindo uma alta eficiência energética deste tipo de arranjo. Por isso, na época quando as fontes de alimentação se tornaram chaveadas, isso foi considerado um grande avanço tecnológico e começou, então, a era dos componentes de Eletrônica de Potência, dos dispositivos semicondutores que são, normalmente, usados apenas no modo de chaveamento (liga / desliga), sendo geralmente otimizados para este tipo de operação. A maioria deles não deve ser usada em operação linear.

Todavia, é preciso ainda considerar, ainda, mais dois detalhes:

  1. Obviamente este tipo de variação não é uma variação contínua (linear), mas sim pulsada (chaveada). No entanto, dada a característica de armazenadores de energia (capacitores e indutores) presentes na maioria das aplicações com cargas, tais como os motores (que são cargas predominantemente indutivas) e como na maior parte dos casos práticos, a freqüência de comutação do chaveamento é muito maior do que a constante de tempo deste tipo de carga, então a própria carga acaba atuando como um filtro, extraindo da tensão instantânea aplicada sobre ela o seu valor médio (veja 
    VOMED 
    na figura anterior).
  2. Infelizmente, apesar de chegar bastante perto de ser, as chaves semicondutoras não são (e provavelmente nunca serão) perfeitas (não são chaves ideais). Assim, enquanto que o ideal seria que toda potência extraída da fonte fosse transferida a carga, na prática, sempre haverá alguma perda potência, mesmo que pequena, sobre as chaves.
Por essas razões que, ao longo dos últimos 60 anos, tantos tipos diferentes de semicondutores de eletrônica de potência diferentes foram lançados, tais como transistor bipolar, MOSFET, tiristor SCR, GTO, ou semicondutores de potência de tecnologia híbrida como os IGBT, MCT, IGCT, etc. Sempre buscando obter maior eficiência: menores perdas nos processos de conversão de energia.

Vantagens dos Semicondutores SiC:


Com o novo semicondutor de SiC desenvolvido pela Toyota e pela Denso, a montadora de veículos pretende alavancar os benefícios da alta freqüência de chaveamento e alta eficiência de semicondutores de potência SiC para permitir reduzir em de 80% o volume  (e o peso) das unidades de controle de potência de automotores (VEs híbridos e elétricos). A Toyota começará a condução de veículos de teste, equipados com as novas unidades de controle de potência de automotores, em vias públicas no Japão, dentro de um ano.


Nos semicondutores de potência SiC as perdas são reduzidas a 1/10 das perdas relativas aos semicondutores de potência de silício, e freqüência de chaveamento do acionamento pode ser aumentada por um fator de até dez. Isto permite que a bobina e o capacitor, que representam cerca de 40% do tamanho das unidades de controle de potência de automotores, sejam, também, de tamanho reduzido. 

Além de reduzir o volume em 80%, através do uso de semicondutores de potência SiC, a Toyota pretende melhorar  a eficiência do combustível dos seus veículo híbrido em 10%, em conformidade com a norma do ciclo de teste (MLIT) JC08 do Ministério da Terra, Infraestrutura, Transportes e do Turismo japonês, em relação as unidades de controle de potência de automotores com semicondutores de silício.

Esquerda: PCU com Semicondutores de Potência de Silício (modelo de produção atual). Direita: PCU com Semicondutores de Potência SiC (meta futura).

Operação dos Semicondutores SiC:


A grosso modo, durante a operação de chaveamento dos semicondutores (diodos e transistores), na etapa da condução o semicondutor está em estado ligado e, assim, existe corrente elétrica fluindo por ele. Se o semicondutor fosse uma "chave perfeita", mesmo fluindo uma elevada corrente (em torno de até 200A), a potencia dissipada sobre ele seria nula, pois a queda de tensão sobre ele seria zero. Porém, parte da potência é perdida (desperdiçada) na forma de calor sobre o corpo do próprio semicondutor.

Além disso, perdas semelhantes também ocorrem quando os semicondutores são chaveados para o estado desligado e a corrente cessa, pois a corrente se retarda em cessar.


A principal causa das perdas existirem na operação dos semicondutores de potência de silício é devido ao fato de que o chaveamento (liga / desliga) precisa ser feito em alta frequência  (milhares ou dezenas de milhares de chaveamentos a cada segundo), e que, tanto a resposta da entrada em condução, quanto e, principalmente, a resposta da entrada em bloqueio dos semicondutores atuais de Si não conseguem, na pratica, ser instantâneas, ocorrendo de, por exemplo, uma corrente "de cauda", mesmo que decadente, continuar fluindo por um pequeno tempo, da ordem de microssegundos, após o comando do desligamento do semicondutor.

De modo vantajoso, o desligamento da condução em semicondutores SiC, as perdas de potência são bastante menores pois, o efeito de corrente "de cauda" é muito menos acentuado, pois o semicondutor SiC responde muito mais rápido do que os tradicionais de silício. Essa maior rapidez do semicondutor de SiC ocorre durante a comutação, tanto para ligar, quanto para desligar.

Isto significa que as perdas se tornam pequenas (relativamente bem menores do que nos semicondutores de silício), e que, consequentemente, uma maior eficiência é alcançada.




Porque as perdas de comutação são bem menores em semicondutores de potência de SiC, as unidade de controle de potência podem, inclusive, passar a operar em frequência de chaveamento ainda maiores, o que é conveniente. Nas unidade de controle de potência atuais, bobinas e capacitores, que operam como elementos armazenadores temporários da energia elétrica, ocupam 40% do volume da PCU, e ainda são bem pesados. Com o controle dotado de semicondutores SiC, operando em mais alta freqüência, permite ainda a redução de volume / peso de bobinas e capacitores dentro da PCU. 

No entanto, as PCUs são responsáveis ​​por, apenas, aproximadamente 25% da perda total de energia elétrica, em meio ao todo do sistema existente nos veículos elétricos híbridos, onde podemos contabilizar em 20% desse todo a perda que é associada com os semicondutores de potência existentes.

Portanto, apesar de não nunca podermos reduzir a zero todas as perdas, uma forma essencial para melhorar a eficiência do combustível é melhorar a eficiência de energia de semicondutores, especificamente através da redução da resistência que é oferecida pelo semicondutor à passagem da corrente, quando ele se encontra comutado para o estado de condução. 

Devido à importância dos semicondutores de potência, a Toyota tem empreendido esforços para desenvolvê-los dentro da sua própria casa, desde o lançamento da primeira geração do Prius híbrido gasolina-elétrico, em 1997, e concentrou-se em aumentar a sua eficiência.

Como um exemplo, os semicondutores de potência Si utilizados no atual Prius, já de terceira geração, mesmo continuando a ser só de silício, têm apenas um quarto da perda de potência daqueles semicondutores empregados na primeira geração.

Como semicondutores SiC permitem uma maior eficiência do que o silício sozinho, a Toyota CRDL e Denso começou a pesquisa básica ja de longa data, desde a década de 1980, com a Toyota participando a partir de 2007 para desenvolver em conjunto com a Denso os semicondutores de SiC para uso prático em veículos elétricos.

Toyota e Denso desenvolveu os transistores de alta eficiência de SiC por meio da adoção de uma estrutura de trincheira.

Últimos Informes:


A Toyota já instalou os semicondutores de potência SiC desenvolvidos em PCUs para os híbridos de protótipos e, teste de condução em pistas de teste confirmou um aumento de eficiência de combustível superior a 5% sob o ciclo de teste JC08 (norma japonesa).

Em dezembro do ano passado, a Toyota estabeleceu uma sala limpa para o desenvolvimento dedicado de semicondutores de SiC em sua planta de Hirose , que é uma unidade especializada em pesquisa, desenvolvimento e produção e produção de dispositivos de controle eletrônico, inversores, semicondutores, etc.

Assim, além melhor motor e a performance aerodinâmica dos veículos, a Toyota está se posicionando semicondutores de potência de alta eficiência como uma tecnologia-chave inovadora para melhorar a eficiência de combustível para os veículos elétricos híbridos, mas que servirão, também, para alavancar os veículos elétricos de tração puramente elétrica. Daqui para frente, a Toyota vai continuar a impulsionar as atividades de desenvolvimento com vista a rápida implementação de semicondutores de potência de SiC.

Veja o vídeo em que a Toyota apresentou a tecnologia na Exposição de Engenharia Automotiva 2014, realizada entre 21 e 23 de maio, no Centro de Convenções Pacifico Yokohama, em Yokohama.


E um segundo vídeo ilustrativo que eu selecionei para vocês:


Notas:

  1. Método de produção de cristais de carbeto de silício por crescimento epitaxial (obtenção de camadas finas, de espessuras de alguns nanômetros a alguns micrômetros, sobre um substrato cristalino) do cristal por meio da sublimação (passagem direta do estado sólido para o gasoso do material).

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Este trabalho de André Luis Lenz, foi licenciado com uma Licença Creative Commons - Atribuição - NãoComercial - CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada.