Na eletrônica de potência moderna, as perdas por comutação são um dos fatores mais críticos que afetam a eficiência do sistema. Com o aumento das frequências de comutação em inversores para veículos elétricos, acionamentos industriais e sistemas de energia renovável, os engenheiros devem avaliar cuidadosamente as perdas em MOSFETs e o comportamento de comutação.

Com a adoção da tecnologia de carboneto de silício, os MOSFETs SiC reduzem significativamente as perdas por comutação em comparação com os dispositivos tradicionais de silício. No entanto, realizar um cálculo preciso das perdas por comutação em MOSFETs a partir da folha de dados continua sendo essencial para o projeto térmico e a seleção de dispositivos.

Este artigo explica:

como realizar o cálculo das perdas por comutação em MOSFETs
como estimar as perdas de potência em MOSFETs em sistemas reais
como a tecnologia SiC reduz as perdas por comutação
como módulos de alto desempenho como o RL800N1200A SiC de 2mΩ melhoram a eficiência dos inversores

O que são Perdas por Comutação em SiC?

A perda por comutação ocorre durante a transição entre os estados LIGADO e DESLIGADO de um dispositivo semicondutor de potência.

Quando um MOSFET comuta, tensão e corrente estão presentes simultaneamente por um breve intervalo de tempo. Esta sobreposição causa dissipação de energia.

A perda por comutação pode ser expressa como:

$P_{s w} = \frac{1}{2} \times V_{d s} \times I_{d} \times (t_{r} + t_{f}) \times f_{s w}$ Psw=21×Vds×Id×(tr+tf)×fsw

Onde:

$V_{d s}$ $V^{ds}$ = tensão dreno-fonte
$I_{d}$ $I^{d}$ = corrente de dreno
$t_{r}$ $t^{r}$ = tempo de subida
$t_{f}$ $t^{f}$ = tempo de descida
$f_{s w}$ $f^{s w}$ = frequência de comutação

Esta fórmula constitui a base do cálculo de perdas de potência em MOSFETs utilizado pelos engenheiros durante o projeto de estágios de potência.

Cálculo de Perdas de Potência em MOSFETs

As perdas totais em MOSFETs consistem em dois componentes principais.

Perdas por Condução

$P_{c o n d} = I^{2} \times R_{d s (o n)}$ Pcond=I2×Rds(on)

Esta perda depende de:

a corrente do dispositivo
a resistência em condução

Perdas por Comutação
As perdas por comutação aumentam com:

a frequência de comutação
o nível de tensão
a velocidade de comutação

Portanto, o cálculo de perdas de potência em MOSFETs deve considerar tanto as perdas por condução quanto as perdas por comutação.

Os MOSFETs SiC reduzem significativamente ambos os tipos de perdas graças às propriedades do material.

Cálculo das Perdas por Comutação em MOSFETs a partir da Folha de Dados

Os engenheiros geralmente realizam o cálculo das perdas por comutação em MOSFETs utilizando parâmetros da folha de dados.

As folhas de dados geralmente fornecem:

energia de ligação $E_{o n}$ Eon
energia de desligamento $E_{o f f}$ Eoff

A perda total por comutação pode ser estimada como:

$P_{s w} = (E_{o n} + E_{o f f}) \times f_{s w}$ Psw=(Eon+Eoff)×fsw

Este método é comumente utilizado ao avaliar dispositivos de fabricantes como a Infineon.

Por exemplo, muitas notas de aplicação sobre cálculo de perdas por comutação em MOSFETs da Infineon recomendam o uso dos valores de energia de comutação sob condições de teste específicas.

No entanto, os engenheiros também devem considerar:

a resistência de gate efetiva
a indutância do sistema
a temperatura de operação

Estes fatores podem afetar significativamente as perdas por comutação reais.

Compreendendo as Perdas por Comutação em MOSFETs SiC rumo à Comutação Quase sem Perdas

O desenvolvimento da tecnologia MOSFET SiC visa reduzir as perdas por comutação rumo a um comportamento próximo à comutação sem perdas.

Em comparação com os dispositivos IGBT tradicionais de silício, os MOSFETs SiC oferecem:

maior velocidade de comutação
menor capacitância de saída
menores perdas de recuperação reversa

Graças a estas características, as perdas por comutação em SiC podem ser muito menores do que nos dispositivos convencionais de silício.

Em aplicações de alta frequência como os inversores de veículos elétricos, a redução das perdas por comutação pode melhorar a eficiência do sistema em vários pontos percentuais.

Isto também permite:

dissipadores de calor menores
maior densidade de potência
maior frequência de comutação

Exemplo: Análise das Perdas por Comutação do Módulo SiC RL800N1200A

Para ilustrar o impacto da tecnologia SiC, consideremos um módulo de potência SiC de alta corrente como o RL800N1200A.

Características típicas:

capacidade de corrente de 800A
tensão nominal de 1200V
Rds(on) ultrabaixo de 2mΩ
características de comutação otimizadas

A baixa resistência em condução reduz significativamente as perdas por condução:

$P_{c o n d} = I^{2} \times R_{d s (o n)}$ Pcond=I2×Rds(on)

Por exemplo, em níveis de corrente elevados, reduzir a resistência de 4mΩ para 2mΩ pode diminuir as perdas por condução em aproximadamente 50%.

Além disso, a estrutura de gate otimizada e a baixa indutância parasita melhoram o desempenho de comutação e reduzem as perdas por comutação em SiC.

Estas características tornam os módulos SiC de alta potência ideais para:

inversores de tração para veículos elétricos
conversores de potência industriais
sistemas de energia renovável

Considerações de Projeto para Reduzir as Perdas em MOSFETs

Os engenheiros que projetam conversores de potência de alta eficiência devem considerar várias estratégias para reduzir as perdas em MOSFETs.

Selecionar dispositivos com baixo Rds(on)
Uma menor resistência em condução reduz significativamente as perdas por condução.

Otimizar o projeto do driver de gate
Uma resistência de gate adequada melhora a velocidade de comutação e reduz as perdas.

Reduzir a indutância parasita
Um projeto otimizado do módulo e da PCB minimiza os picos de tensão e a energia de comutação.

Utilizar módulos SiC avançados
Os módulos SiC de alto desempenho oferecem melhores características de comutação e desempenho térmico.

Conclusão

Um cálculo preciso das perdas por comutação em MOSFETs é essencial para projetar sistemas eletrônicos de potência eficientes.

Ao compreender:

o cálculo das perdas de potência em MOSFETs
o cálculo das perdas por comutação a partir da folha de dados
as vantagens da tecnologia MOSFET SiC

os engenheiros podem melhorar significativamente a eficiência e confiabilidade do sistema.

Os módulos SiC modernos como o RL800N1200A de 2mΩ demonstram como a tecnologia avançada de semicondutores pode reduzir as perdas por comutação e permitir sistemas inversores de alta potência e alta eficiência.

À medida que a eletrônica de potência continua evoluindo, a otimização das perdas por comutação em SiC desempenhará um papel chave nos sistemas de próxima geração para veículos elétricos, energias renováveis e aplicações industriais.

FAQ: Perdas por Comutação em SiC

Como calcular a perda por comutação em MOSFETs?
A perda por comutação pode ser calculada utilizando os valores de energia de comutação Eon e Eoff fornecidos na folha de dados.

$P_{s w} = (E_{o n} + E_{o f f}) \times f_{s w}$ Psw=(Eon+Eoff)×fsw

Onde a frequência de comutação determina a perda total de potência.

Por que as perdas por comutação em MOSFETs SiC são menores?
Os dispositivos MOSFET SiC têm capacitância menor e características de comutação mais rápidas em comparação com os dispositivos de silício, o que reduz significativamente a energia de comutação.

O que causa as perdas por comutação em MOSFETs?
As perdas por comutação ocorrem durante a transição entre os estados ligado e desligado quando a tensão e a corrente se sobrepõem por um breve intervalo de tempo.

Como reduzir as perdas de potência em MOSFETs?
As perdas de potência podem ser reduzidas mediante: