Cum transformă carbura de siliciu (SiC) sistemele energetice
Carbura de siliciu (SiC) a devenit o piatră de temelie pentru îmbunătățirea eficienței și sprijinirea decarbonizării în toate industriile. Este un element de bază pentru sistemele energetice avansate, care răspunde cerințelor globale în creștere în domeniul energiei regenerabile, al vehiculelor electrice (VE), al centrelor de date și al infrastructurii de rețea. Tehnologia SiC are avantaje față de dispozitivele tradiționale din siliciu, în special în ceea ce privește eficiența conversiei de putere și în cazurile sensibile din punct de vedere termic. Impactul acesteia asupra industriei electronice și energetice poate duce la creșterea profitabilității și sustenabilității.
Experți de la două companii de semiconductori de top din industrie – Michael Williams, director de marketing pentru industrie și infrastructură la Infineon Technologies și Shawn Luke, inginer de marketing tehnic la DigiKey – își împărtășesc opiniile cu privire la modul în care tehnologia SiC influențează piața și ce urmează.
O evoluție în ceea ce privește consumul de energie
“În trecut, cea mai mare parte a consumului de energie avea legătură cu anumite tipuri de control al motoarelor, cum ar fi aplicațiile destinate automatizărilor industriale și fabricilor, transportului feroviar, pompelor pentru tratarea apelor reziduale sau fluidelor precum petrolul din conducte” spune Williams. “Odată cu introducerea carburii de siliciu, a apărut o schimbare în sensul creșterii eficienței energetice, permițând reducerea pierderilor de energie pe parcursul etapelor de conversie, susținând aplicațiile cu cerințe ridicate”.
Prin această schimbare, accentul s-a pus pe decarbonizare și pe dezvoltarea de noi generații de tehnologii regenerabile, inclusiv sisteme de energie regenerabilă, infrastructură EV și centre de date. De asemenea, eficiența conversiei de putere a crescut de la aproximativ 95% la 98,5%, o schimbare semnificativă care a diminuat pierderile de energie, a redus generarea de căldură și a minimizat cerințele de răcire.
Infrastructura rețelei electrice
Transferul de energie de la rețea sau de la o linie electrică de înaltă tensiune către un centru de date poate duce la o pierdere de putere de 5-6% pe măsură ce energia trece prin diverse etape de conversie. În prezent, se estimează că 3% din consumul global de energie se datorează exclusiv centrelor de date, iar până în 2030 acest procent va crește la 4% (Data Centre Magazine, 2022), fără a se aștepta o încetinire. Tehnologia SiC intervine în infrastructura energetică a centrelor de date, stimulând eficiența și costul sistemelor de stocare a energiei la nivel de rețea și a invertoarelor solare centrale. Soluția combinată permite viitoarelor centre de date să funcționeze într-un mediu de microrețea, reducând încărcarea rețelei, care este deja tensionată în Statele Unite.
“Odată cu electrificarea automobilelor, asistăm la apariția unui număr mare de proiecte de referință care includ încărcare bidirecțională și electronică de putere avansată, ceea ce înseamnă că acestea se vor încărca în afara orelor de vârf și vor reintroduce energia în rețea în perioadele de vârf,” afirmă Luke.
SiC, ca tehnologie cu bandă interzisă largă, suportă o tensiune mai mare și viteze de comutare mai rapide în aplicații precum încărcarea vehiculelor electrice. Acest lucru a permis o transformare completă a infrastructurii rețelei globale, reducând, totodată, complexitatea sistemului și costurile generale.
Proiectare bazată pe tehnologia SiC
Tehnologia SiC abordează bine eficiența, dar există momente în care un proiectant are nevoie de un produs de dimensiuni reduse, situație în care sunt utilizate dispozitivele WBG (wide bandgap) sau siliciu (Si).
“Un proiectant are de ales între trei tehnologii, dar are și trei considerente fundamentale de proiectare. Să fac ca produsul meu să fie rentabil; să fie compact; sau să fie eficient?” explică Williams. “Alegerea oricăreia dintre aceste priorități permite unui proiectant să opteze pentru soluții din siliciu (Si). Totuși, proiectarea pentru toate aceste trei considerente necesită dispozitive cu bandă interzisă largă (WBG). Principalul factor determinant pentru produsele compacte este creșterea frecvenței de comutație pentru a reduce dimensiunea componentelor magnetice și a capacitanței din sistem.”
Datorită capabilității WBG a tehnologiei SiC, nivelurile de tensiune pot fi mai mari, ceea ce permite implementarea următoarei generații de tehnologii. Provocarea constă în faptul că SiC este un material complex de prelucrat, dat fiind că este vorba de un material mult mai rigid decât siliciul tradițional.
Ciclurile de alimentare reprezintă un factor-cheie în dezvoltarea capsulelor, deoarece exercită presiune asupra interconectării dintre plăcuța SiC și suportul sau substratul acesteia, putând duce la defectarea dispozitivului înainte de termen. Dezvoltarea de noi tehnologii de interconectare pentru a îmbunătăți performanța ciclurilor de putere ale viitoarelor dispozitive SiC este importantă în abordarea cerințelor viitoare ale unei rețele decarbonizate.
“Aplicațiile utilizează acum cicluri de putere mult mai mari decât aplicațiile de acționare a motoarelor din trecut,” afirmă Williams. “Infineon s-a concentrat pe dezvoltarea tehnologiei .XT, o tehnică avansată de interconectare care s-a dovedit că mărește performanța ciclurilor de putere de peste 22 de ori față de tehnicile standard de lipire soft. Această dezvoltare tehnologică permite o densitate de putere mai mare, performanțe termice îmbunătățite și o durată de viață maximă a sistemului, permițând trecerea la mai multe surse de energie regenerabilă.
Inovații în domeniul conversiei de putere
Un domeniu despre care acești experți sunt entuziasmați este decarbonizarea rețelei, care implică renunțarea la centralele electrice care folosesc combustibili fosili (precum cărbunele și petrolul).
“Decarbonizarea poate avea loc atât la nivel macro, prin schimbările pe care le fac companiile de electricitate pentru a trece la energia eoliană, solară și hidroelectrică, dar și la nivelul consumatorilor prin utilizarea vehiculelor electrice și altele asemenea,” a subliniat Luke. “Factorii favorizanți, precum tehnologia SiC, ne permit să ne apropiem de micro-rețele mai mult ca niciodată, localizând sursele de putere pentru mai puține conversii și pierderi, contribuind la decarbonizare.”
O altă inovație pe care cercetătorii o văd ca având un impact puternic asupra sectorului energetic este implementarea transformatoarelor solid-state. Acestea pot îmbunătăți foarte mult infrastructura rețelei electrice, reducând dimensiunea, timpul de instalare și complexitatea generală a amplasamentului utilității. Implementarea transformatoarelor solid-state permite sisteme modulare de înaltă tensiune și soluții de microrețele, conducând la o distribuție mai sustenabilă a energiei.
Ce urmează?
Cu noile tehnologii aflate în continuă dezvoltare, se preconizează că SiC va avea o prezență de durată.
“Experții Infineon prezic că dispozitivele de putere cu comutație bazate pe siliciu vor continua să domine piața pentru restul deceniului,” afirmă Williams. “Avem o poziție unică pe piață prin faptul că oferim toate cele trei tehnologii de comutare: siliciu, carbură de siliciu și nitrură de galiu și nu vedem nicio amenințare din partea dispozitivelor de putere cu bandă largă interzisă că ar reduce dimensiunea totală a pieței.”
Companii precum Infineon investesc în extinderea producției pentru a crește capacitatea și în dezvoltarea de soluții care îmbunătățesc eficiența energetică, reducând în același timp costul tehnologiei SiC. Inovații precum micro-rețelele modulare, rețelele de curent continuu distribuite și reactoarele de fuziune se profilează la orizont, tehnologia SiC aflându-se la baza acestor progrese.
Printr-un parteneriat puternic cu distribuitorul global, DigiKey, implementarea rapidă a noilor tehnologii printr-un model de distribuție fără comenzi minime și cu disponibilitate ridicată, proiectanții și inginerii beneficiază de condiții optime pentru a se adapta la tot ce urmează. Pentru mai multe informații despre soluțiile de alimentare, vizitați DigiKey.com.
Autori:
Michael Williams, Director of Marketing for Industrial and Infrastructure la Infineon Technologies AG și
Shawn Luke, Technical Marketing Engineer la DigiKey
DigiKey | https://www.digikey.ro
