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Projeto alemão desenvolve inversores com transistores de nitreto de gálio (GaN)

Objetivo é preparar equipamentos mais econômicos e eficientes para aplicações fotovoltaicas

Autor: 22 de fevereiro de 2022Artigos técnicos
Projeto alemão desenvolve inversores com transistores de nitreto de gálio (GaN)

O GaN e o SiC permitem a construção de inversores menores, mais potentes, mais rápidos e mais eficientes

Instituições de pesquisa e empresas alemãs estão desenvolvendo e testando novos hardwares e softwares para inversores de alto desempenho.

O objetivo é desenvolver soluções técnicas que, além de injetar a eletricidade gerada na rede, também permitam que os sistemas fotovoltaicos contribuam ativamente para a estabilização da rede.

O projeto GaN-HighPower, coordenado pelo Instituto Fraunhofer, recebeu o financiamento de cerca de € 3,8 milhões (cerca de R$ 22 milhões) do Ministério Federal de Economia e Proteção Climática da Alemanha.

Sebastian Sprunck, gerente do grupo de componentes e sistemas de medição do Instituto Fraunhofer e coordenador do projeto, destaca que a tarefa é examinar os componentes recém-desenvolvidos e tornar sua operação o mais eficiente possível. 

“Com esses novos componentes foram montados protótipos em nossos laboratórios, com os quais novas tecnologias e a redução de peso desejada são validadas na prática”.

Entre as empresas participantes está a SMA, especialista em soluções de sistemas fotovoltaicos. O objetivo do projeto de pesquisa GaN-HighPower está no desenvolvimento de inversores fotovoltaicos de alto desempenho com chaves (transistores) baseados em novos materiais, como o GaN (nitreto de gálio). 

O GaN (nitreto de gálio) é um semicondutor do tipo wide-bandgap (banda proibida alargada), que substitui o silício na fabricação de transistores eletrônicos, permitindo a produção de componentes mais robustos e com características de funcionamento melhoradas. É considerado um semicondutor emergente no mercado. 

O crescente interesse em novos dispositivos semicondutores levou à busca de novos materiais como o GaN e também o Sic (carbeto de silício) como candidatos para a construção de transistores para aplicações em conversores para energias renováveis, possibilitando alta eficiência elétrica e alta densidade de potência devido às propriedades do material, como alta velocidade, maior bandgap e boa resposta dinâmica. 

A maior mobilidade e a elevada velocidade de saturação de elétrons permitem a operação em maior frequência de chaveamento. Além de tudo, dispositivos baseados em GaN e SiC (em detrimento do silício – Si – tradiciona) suportam tensões de ruptura mais elevadas e temperaturas de junção cerca de duas vezes superiores às do silício, possibilitando a redução das dimensões dos componentes e o aumento da densidade de potência dos inversores. Em resumo, o GaN e o SiC permitem a construção de inversores menores, mais potentes, mais rápidos e mais eficientes.

Projeto alemão desenvolve inversores com transistores de nitreto de gálio (GaN)

Relação entre frequência e potência dos transistores baseados em novos materiais (Gan e Sic) em comparação com tecnologias mais antigas (IGBT, MOSFET e BJT) baseadas em silício puro (Si). Fonte: Neue Leistungselektronik für eine sonnige Zukunft, Instituto Fraunhofer

“Neste projeto, o uso das mais recentes tecnologias para inversores fotovoltaicos será pesquisado e testado para permitir redução de custo e peso, mantendo a eficiência muito alta. Alcançamos um bom resultado em potências intermediárias e agora,  com o novo projeto de pesquisa conjunta financiado pelo ministério alemão, queremos explorar o potencial para equipamentos superiores a 100 kW, que são significativamente maiores do que a atual gama de aplicações para transistores”, acrescentou.

“O objetivo é alcançar uma densidade de potência significativamente maior e uma relação potência-peso significativamente maior em comparação com os inversores anteriores, o que resultará em inversores com menor consumo de material, mais eficientes em recursos e também mais baratos e eficientes”, concluiu.

A Infineon Technologies AG, uma das maiores fabricantes mundiais de semicondutores, é outra empresa que integra o projeto. Peter Friedrichs, vice-presidente da divisão de controle de energia industrial da Infineon, explica que para o desenvolvimento do projeto os semicondutores à base de nitreto de gálio (GaN) estão sendo pesquisados ​​pela primeira vez para aplicações de alta potência, como exigido em inversores fotovoltaicos. 

“Até agora, a aplicação da tecnologia GaN foi limitada a faixas de potência significativamente menores. Já foi demonstrado que os semicondutores GaN permitem processos de comutação ainda mais rápidos em comparação com a tecnologia de carbeto de silício (SiC) e ainda mais em comparação com os componentes clássicos de silício (Si). O projeto visa pesquisar até que ponto os limites anteriores da tecnologia GaN podem ser expandidos”, esclarece.

A Vacuum Schmelze, fabricante líder de ligas magnéticas, também está participando do projeto e complementa as vantagens dos semicondutores rápidos com componentes magnéticos e sensores de corrente otimizados, que contribuirão significativamente para a redução de peso e do volume dos inversores. 

“Uma redução bem-sucedida de peso e volume é alcançada por meio de dispositivos magnéticos (indutores) otimizados, com núcleos toroidais nanocristalinos de baixa permeabilidade, que são significativamente mais compactos e têm perdas menores do que as soluções convencionais. Outro aspecto é o desenvolvimento de sensores de malha fechada com elevada largura de banda, que também medem de forma confiável a corrente na faixa de alta frequência dos semicondutores GaN”, explica Simon Sawatzki, responsável pelo desenvolvimento de componentes indutivos na Vacuum Schmelze.

A empresa TH Köln também integra a pesquisa e fornece ao projeto fundamentos teóricos para os novos componentes magnéticos. A Universidade Hochschule Bonn-Rhein-Sieg também participa do projeto e atua na avaliação das opções disponíveis para o desenvolvimento do hardware, além de preparar a integração dos novos componentes em um protótipo construído em laboratório. 

Referências

  • Recent advance and future progress of GaN power semiconductor devices used in PV module integrated converters, Óscar M. Rodríguez-Benítez, Mario Ponce-Silva, Leobardo Hernández González, Juan A. Aquí-Tapia, Abraham Claudio Sánchez, Gabriel Calzada Lara, Claudia Cortés-García,  2018
  • Neue Leistungselektronik für eine sonnige Zukunft
Mateus Vinturini

Mateus Vinturini

Especialista em sistemas fotovoltaicos e engenheiro eletricista graduado pela UNICAMP (Universidade Estadual de Campinas). Entusiasta de ciências e tecnologia, com experiência no ramo da energia solar, tanto no âmbito comercial como em projeto, dimensionamento e instalação de sistemas fotovoltaicos. 

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