Avanço em Módulos de Potência SiC para Veículos Elétricos
Num salto significativo para a tecnologia de veículos elétricos (VE), investigadores da Universidade de Chongqing e da China Resources Microelectronics revelaram uma nova estratégia de otimização para módulos de potência de carboneto de silício (SiC) que melhora drasticamente o desempenho elétrico e térmico — fatores críticos para a próxima geração de controladores de motores de alta eficiência. Publicado no Journal of Power Supply, o estudo demonstra como um redesenho sinérgico do layout, interconexões e arquitetura de arrefecimento pode liberar todo o potencial dos semicondutores de SiC em aplicações automóveis.
A pressão global pela eletrificação intensificou a exigência sobre a eletrónica de potência para oferecer maior eficiência, maior densidade de potência e fiabilidade melhorada. Embora os dispositivos de SiC ofereçam inerentemente características superiores — como maior tensão de ruptura, bandgap mais largo e melhor condutividade térmica — em comparação com os homólogos tradicionais de silício (Si), o seu desempenho em módulos do mundo real tem sido frequentemente limitado por técnicas de encapsulamento herdadas. Esta incompatibilidade tem restringido os benefícios práticos do SiC, particularmente em ambientes exigentes como os inversores de tração de VEs.
Liderada por Rongyao Ma e Kaifeng Tang da China Resources Microelectronics (Chongqing) Limited, em colaboração com Xiaofei Pan, Zhifeng Shao, Peng Sun e Zheng Zeng da Universidade de Chongqing, a equipa de investigação enfrentou este desafio de frente. A sua abordagem não foi incremental, mas holística — repensando toda a arquitetura do módulo, desde o nível do chip até ao dissipador de calor.
No centro da sua inovação está um layout multi-chip reimaginado. Os módulos de SiC tradicionais adotam frequentemente um arranjo linear em “fila única” herdado de projetos baseados em Si. No entanto, esta configuração leva a uma distribuição desigual de corrente e pontos quentes localizados, especialmente nos chips centrais, que sofrem com temperaturas de junção mais elevadas e envelhecimento acelerado. A equipa propôs um layout escalonado em “forma de W” onde seis chips SiC MOSFET de 1.200 V/600 A são deslocados pela metade da sua largura — aproximadamente 2,5 mm para um chip padrão de 5 mm. Esta simples alteração geométrica produziu resultados profundos: simulações de elementos finitos mostraram uma redução de 11°C na temperatura de pico da junção em comparação com o layout convencional, enquanto a indutância parasita — um parâmetro crítico que afeta as perdas por comutação e sobretensão — foi reduzida em 0,16 nH. Crucialmente, esta melhoria surgiu sem comprometer o desempenho elétrico, atingindo um equilíbrio raro entre gestão térmica e fidelidade de comutação de alta frequência.
Igualmente transformadora foi a adoção da ligação por fios de cobre através da tecnologia Die Top System (DTS). A ligação convencional por fios de alumínio, há muito o padrão da indústria, debate-se com a área ativa menor do SiC. Com menos superfície disponível para interconexões, os fios de alumínio enfrentam uma densidade de corrente excessiva, levando a falhas prematuras sob condições de carga elevada. O cobre, com a sua maior condutividade e robustez mecânica, oferece uma alternativa convincente — mas não pode ser ligado diretamente à metalização típica do chip SiC sem riscos de danos devido à energia ultrassónica durante o processo de ligação. A solução DTS contorna isso elegantemente ao sinterizar primeiro uma fina camada de folha de cobre na superfície do chip usando sinterização de prata. Esta camada intermédia não só protege o chip frágil, como também melhora a dispersão de corrente e reduz o aquecimento localizado. O resultado é uma interconexão mais fiável e capaz de suportar correntes mais elevadas, alinhada com os exigentes requisitos de ciclo de vida das aplicações automóveis.
Para além do chip e da interconexão, a equipa voltou a sua atenção para a infraestrutura de arrefecimento. A maioria dos módulos comerciais depende de dissipadores de calor com pinos circulares para arrefecimento líquido direto. Reconhecendo as limitações desta geometria, os investigadores exploraram pinos elípticos, que oferecem melhores relações área superficial-volume e dinâmicas de fluxo mais favoráveis. Usando a Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) — uma técnica estatística e matemática para modelar e otimizar sistemas complexos — afinaram quatro parâmetros-chave: o espaçamento vertical e horizontal entre as aletas (D1 e D2), e os eixos curto e longo da secção transversal elíptica (a e b). A otimização procurou minimizar tanto o aumento de temperatura do chip como a queda de pressão do refrigerante — um clássico compromisso de engenharia. Após extensa simulação multifísica, surgiu a configuração ótima: D1 = 2,44 mm, D2 = 2,32 mm, a = 0,78 mm e b = 0,93 mm. Este projeto reduziu a temperatura máxima da junção em 10°C em comparação com um layout elíptico padrão, com apenas um aumento negligenciável de 0,2 kPa na queda de pressão — um feito notável que melhora o arrefecimento sem sobrecarregar a bomba de refrigerante do veículo.
Para validar o seu trabalho teórico e de simulação, a equipa fabricou dois módulos protótipo baseados no padrão de encapsulamento amplamente utilizado HybridPACK™ Drive. O Módulo A representou a linha de base: seis chips ligados com fios de alumínio num substrato ZTA (alumina toughened zirconia) de cobre ligado diretamente (DBC), arrefecido por um dissipador de calor convencional de pinos circulares. O Módulo B incorporou o conjunto completo de inovações: layout de chips em forma de W, ligação por fios de cobre DTS, um substrato AMB (active metal brazed) para melhor condutividade térmica e o arrefecedor otimizado com pinos elípticos.
Os protótipos foram submetidos a testes rigorosos em duas plataformas personalizadas. Uma configuração de teste de duplo pulso avaliou o comportamento de comutação e a indutância parasita em condições de 600 V/300 A. Embora ambos os módulos tenham exibido um desempenho excelente, a subtil redução na sobretensão de tensão para o Módulo B confirmou a eficácia das melhorias de layout e interconexão na gestão de transientes de alta di/dt. Resultados mais convincentes surgiram do teste de potência back-to-back, que simula a operação real do inversor ligando dois inversores idênticos num ciclo regenerativo. Sob carga sustentada a uma temperatura do refrigerante de 65°C, o Módulo B funcionou consistentemente mais frio. A um caudal de 5,0 litros por minuto — uma condição realista para muitos VEs — a sua temperatura de pico da junção foi 6°C inferior à do Módulo A. Esta diferença aparentemente modesta traduz-se numa extensão substancial da vida operacional, uma vez que a vida útil do módulo de potência está exponencialmente relacionada com a amplitude do ciclo térmico.
As implicações deste trabalho estendem-se muito para além de um único design de módulo. Os investigadores enfatizam que a sua metodologia não está vinculada ao fator de forma HybridPACK. Os princípios de layout escalonado, interconexões avançadas e arrefecimento otimizado estatisticamente são universalmente aplicáveis. Fornecedores automóveis e designers de eletrónica de potência podem adaptar estas estratégias às suas próprias plataformas de encapsulamento com requalificação mínima, acelerando a adoção de soluções SiC de alto desempenho em toda a indústria.
Do ponto de vista da fiabilidade, os avanços são igualmente críticos. É bem documentado que, quando encapsulados usando métodos tradicionais de Si, os módulos de SiC podem exibir tempos de vida tão curtos quanto um terço dos seus predecessores de silício — apesar das vantagens materiais inerentes. Este paradoxo surge do intenso aquecimento localizado e stress mecânico no chip menor. Ao abordar simultaneamente pontos quentes térmicos, concentração de corrente e fadiga de interconexão, a abordagem da equipa de Chongqing confronta diretamente esta lacuna de fiabilidade. O uso de sinterização de prata para fixação do chip, substratos AMB e ligação de cobre contribuem todos para um conjunto mais robusto capaz de suportar o ambiente térmico e vibratório severo de um powertrain de VE.
Para o mercado de VEs, esta investigação chega num momento pivotal. Os fabricantes automóveis estão a competir para estender a autonomia, reduzir os tempos de carregamento e baixar os custos do sistema. Cada watt poupado no inversor traduz-se diretamente em mais milhas por quilowatt-hora. Frequências de comutação mais elevadas permitidas por módulos SiC de baixa indutância permitem componentes passivos como indutores e condensadores mais pequenos e leves, aumentando ainda mais a densidade de potência. E talvez o mais importante, a fiabilidade melhorada reduz os custos de garantia e constrói a confiança do consumidor na tecnologia de VE.
O trabalho também sublinha uma tendência mais ampla na eletrónica de potência: o fim das substituições diretas (“drop-in”). Simplesmente trocar um IGBT de Si por um MOSFET de SiC num encapsulamento antigo já não é suficiente. Para aproveitar verdadeiramente os semicondutores de wide-bandgap, todo o módulo deve ser co-desenhado como um sistema integrado eletro-térmico-mecânico. Isto requer uma colaboração profunda entre físicos de dispositivos, engenheiros de encapsulamento, especialistas térmicos e integradores de sistemas — um esforço multidisciplinar exemplificado pelo consórcio de Chongqing.
Olhando para o futuro, a equipa sugere várias vias para um maior refinamento. Embora a ligação por fios de cobre represente um grande passo em frente, tecnologias emergentes como interconexões planares ou terminais de cobre sinterizados poderão oferecer uma indutância parasita ainda menor e melhor partilha de corrente. Da mesma forma, técnicas avançadas de arrefecimento como jato de impingimento ou integração de microcanais podem levar o desempenho térmico ainda mais longe. No entanto, o trabalho atual fornece um blueprint prático, manufaturável e imediatamente impactante para a indústria.
Em resumo, este estudo de Ma, Tang, Pan, Shao, Sun e Zeng é mais do que um exercício académico; é um roteiro para a próxima geração de módulos de potência automóveis. Ao harmonizar layout, materiais e design térmico, demonstraram um caminho claro para liberar toda a promessa do carboneto de silício — entregando a eficiência, densidade de potência e fiabilidade que a revolução do veículo elétrico exige.
Esta investigação foi conduzida por Rongyao Ma (Escola de Engenharia de Microeletrónica e Comunicação, Universidade de Chongqing; China Resources Microelectronics (Chongqing) Limited), Kaifeng Tang (China Resources Microelectronics (Chongqing) Limited), Xiaofei Pan (Escola de Engenharia Elétrica, Universidade de Chongqing; China Resources Runan Technologies (Chongqing) Co., Ltd), Zhifeng Shao (China Resources Microelectronics (Chongqing) Limited), Peng Sun (Escola de Engenharia Elétrica, Universidade de Chongqing), e Zheng Zeng (Escola de Engenharia Elétrica, Universidade de Chongqing). Foi publicada no Journal of Power Supply, Vol. 22, No. 3, Maio de 2024, com DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.78.