Estándares de eficiencia energética con carburo de silicio Wolfspeed

El Carburo de Silicio (SiC) ofrece tecnología de semiconductores con la capacidad de cumplir con todos los nuevos estándares de eficiencia en tamaño, peso y requisitos de potencia sin compromisos inviables.

Las estadísticas de octubre de 2021 de la Agencia Internacional de Energía (IEA), que incluye 30 países miembros y ocho asociaciones nacionales, reafirman el esfuerzo hacia el incremento de la eficiencia en el consumo de energía. Aunque los presupuestos nacionales para la eficiencia energética y las energías renovables han seguido creciendo, la IEA destaca que la proporción de los presupuestos dedicada a la eficiencia energética ha aumentado del 7% en 1990 al 26% en 2020.¹

Las nuevas plantas de energía cuestan más de $500 millones y toman de dos a seis años para construirse, y el CAGR de aproximadamente el 7% del mercado de electrodomésticos supera la capacidad de llevar producción de energía nueva en línea. Por lo tanto, la formulación de políticas ha llegado a estar dominada por discusiones sobre el uso eficiente de los recursos globales.

En América, los estándares ENERGY STAR® y 80 PLUS® están impulsando el comportamiento de ingeniería y de los consumidores. El programa ENERGY STAR específicamente está ampliando sus requisitos para incluir cargadores eléctricos (EV) domésticos y comerciales.

En la región de Europa, Oriente Medio y África (EMEA), la urgencia por alcanzar los objetivos del Acuerdo de París de mantener el aumento de la temperatura global por debajo de 2°C en este siglo ha cambiado el enfoque hacia mejoras de eficiencia en los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

La región de Gran China y el Sudeste Asiático (GCSEA, por sus siglas en inglés) también está destacando la eficiencia de los electrodomésticos de consumo con nuevas etiquetas y estándares mínimos de desempeño energético. Por ejemplo, el 1 de julio de 2020, China implementó uno de los requisitos de eficiencia energética más estrictos del mundo para los aires acondicionados de habitación, exigiendo que sean aproximadamente un 15% más eficientes. Debido a que el país es el mayor comprador y fabricante de estos electrodomésticos, esto podría resultar en una reducción significativa de energía y de la huella de carbono.

Necesidades de eficiencia cubiertas por Wolfspeed Carburo de Silicio

El impacto directo de los nuevos estándares de eficiencia es la necesidad indiscutible de Carburo de Silicio (SiC) como la tecnología de semiconductores habilitadora que tiene la capacidad de cumplir con todos los requisitos de tamaño, peso y potencia sin compromisos inviables.

Con la mayor cuota de mercado en tecnología SiC, más de 30 años de innovación en energía y más de 17 años de producción de diodos y MOSFET, Wolfspeed ayuda a los diseñadores a cumplir con los requisitos de estándares en aplicaciones clave, incluidas motores y fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS), que se utilizan en muchas industrias, así como en algunos de los segmentos de mayor crecimiento, como la infraestructura de carga de vehículos eléctricos (EV). Los dispositivos SiC de la compañía superan ampliamente a los componentes convencionales de silicio (Si) y establecen nuevos estándares de eficiencia y confiabilidad.

Listo para los estándares de eficiencia de motores IEC

El mayor uso final único de la electricidad es por sistemas accionados por motores eléctricos (EMDS) en electrodomésticos, sistemas industriales y, cada vez más, en vehículos eléctricos (EVs). Se estima que el 43% al 46% del consumo global de electricidad y 6,040 megatones (Mt) de emisiones de CO2 provino del funcionamiento de los EMDS en 2009. Sin apoyo de políticas y estándares, los EMDS podrían consumir 13,360 TWh y generar 8,570 Mt de emisiones de CO2 anualmente para 2030.²

La norma global IEC/EN 60034-30-1 aborda la eficiencia en esta área de aplicación. Definiendo las clases de eficiencia Internacional Efficiency 1 (IE1) hasta IE4, con una próxima clase IE5, la norma amplió su alcance en 2014 para incluir motores de dos, cuatro, seis y ocho polos con potencias nominales de 120 W a 1,000 kW y entradas de 50 V a 1 kV.

La mayoría de los países ya requieren o pronto exigirán una calificación mínima de IE3, mientras que EMEA demandará IE4 en julio de 2023 para motores en el rango de 75 a 200 kW. Pasar de IE2 a IE3 para un motor de 2.2 kW de cuatro polos significa aumentar la eficiencia de 84.3% a 86.7%, lo que representa una reducción del 15.2% en las pérdidas. Una transición de IE3 a IE4 requiere una reducción del 21% en las pérdidas, ya que la eficiencia total aumenta a 89.5%. Dichas transiciones requerirán rediseñar sistemas, lo cual se facilita al pasar de Si a SiC.

Para los vehículos eléctricos (EVs), que utilizan inversores de tren motriz para EV de entre 90 kW y más de 350 kW, aumentar la eficiencia y reducir el tamaño y el peso se traduce en maximizar la autonomía del vehículo. Los diseños basados en Wolfspeed SiC facilitan los diseños bidireccionales para permitir el frenado regenerativo, reducen las pérdidas en un 80% y disminuyen el tamaño en un 30% mientras se reduce el costo del sistema, como se evidencia en la conducción del mundo real en Figura 2.

Nuevos estándares para la eficiencia de los Switch Mode Power Supply (SMPS)

Los SMPS se utilizan ampliamente en los segmentos comercial, industrial, electrodomésticos, energía y vehículos eléctricos (EV). Solo una aplicación, el centro de datos, se estima que consumió alrededor de 205 TWh en 2018—o el 1% del uso global de electricidad.

Los requisitos de eficiencia de ENERGY STAR son superados por los requisitos de certificación Platinum y Titanium del programa 80 PLUS, así como por el Ecodesign de la UE en Europa (regulaciones ErP Lot 9), que tienen una actualización aún más estricta programada para enero de 2026. Las especificaciones PSU ORV3 del Open Compute Project (OCP) requieren un 40 % menos de pérdidas que el ORV2 y el 80 PLUS Titanium (Figura 3).

Estos estándares imponen nuevas demandas en el diseño de fuentes de alimentación y requieren que los diseñadores evalúen cuidadosamente las topologías que utilizan. Mientras que un diseño basado en SiC, de corrección de factor de potencia (PFC) semibridgeless con diodos de Si en el brazo de baja frecuencia podría ofrecer una eficiencia del 98,9% para los últimos estándares 80 PLUS, ORV3 cambia la preferencia hacia un PFC de totem-pole bridgeless completamente basado en MOSFET–SiC para lograr un 99,1% de eficiencia.

Los MOSFET de SiC C3M™ 650 V de Wolfspeed son particularmente adecuados para esta aplicación. Su diseño de referencia PFC de 2,2 kW cumple con el estándar 80 PLUS Titanium con una eficiencia de >98,5% y un THD de <5% en aplicaciones industriales, cargadores de vehículos eléctricos y fuentes de alimentación de servidores/telecomunicaciones.

ENERGY STAR® certifica cargadores de vehículos eléctricos

El gobierno de Estados Unidos ha aprobado $5 mil millones durante los próximos cinco años para construir una infraestructura de 500,000 cargadores rápidos de CC, cada uno capaz de entregar un mínimo de 150 kW por puerto y cargar simultáneamente cuatro vehículos eléctricos. Mientras tanto, la especificación ENERGY STAR para Equipos de Suministro de Vehículos Eléctricos (EVSE) entró en vigor el 31 de marzo de 2021, exigiendo una eficiencia mínima de carga activa del 93% para cargadores de hasta 65 kW y ampliando su alcance a cargadores rápidos de CC de hasta 350 kW.4 Los cargadores de vehículos eléctricos certificados generalmente requieren aproximadamente un 40% menos de energía en modo de espera.

Los usuarios comerciales y residenciales por igual buscan certificaciones ENERGY STAR, y los MOSFETs y diodos de Wolfspeed permiten un aumento de eficiencia del 1% al 2%, un incremento del 35% al 50% en la densidad de potencia con costos de sistema comparables, un menor enfriamiento general del sistema, una carcasa mecánica más pequeña y económica, y una mejor carga bidireccional para la conexión vehículo-red en comparación con diseños basados en Si (Figura 4).

Portafolio para eficiencia energética

Para cumplir con una variedad incomparable de consideraciones de diseño, Wolfspeed ofrece un portafolio de Carburo de Silicio igualmente amplio que incluye productos que van desde 600 V hasta 1700 V, con 3.3 kV y superiores en desarrollo, y desde 1 A hasta casi 1 kA en módulos de potencia. Sea cual sea la aplicación de potencia, existe un producto discreto de Carburo de Silicio de Wolfspeed, un módulo más pequeño sin base construido bajo estándares de la industria, o un módulo de alta potencia con huella optimizada que no solo ayuda a los diseñadores a cumplir con los últimos estándares, sino también a planificar futuros requisitos en sus hojas de ruta de desarrollo.

Fuentes: