El carburo de silicio impulsa las alternativas ecológicas hacia un ciclo virtuoso
La conciencia ecológica y las regulaciones que impulsan el mercado de vehículos eléctricos (VE) han fomentado la innovación en la tecnología de baterías y el diseño basado en Carburo de Silicio para transformar la generación de energía verde. La necesidad de expansión de la energía renovable es ahora crítica. La creciente variabilidad climática, los problemas de la cadena de suministro de combustibles fósiles a corto plazo, así como los recursos limitados de combustibles fósiles a largo plazo frente a una demanda de energía en constante crecimiento, han inclinado la balanza a favor de las fuentes regionales de energía verde. Incrementar significativamente el retorno de inversión (ROI) en energía renovable, particularmente solar y eólica, significa aumentar la eficiencia, la capacidad, la densidad de potencia y la rentabilidad de los sistemas de almacenamiento de energía (ESS). Y ahora existen soluciones disponibles para ayudar a lograr todos estos objetivos gracias a las innovaciones en la tecnología de baterías y los dispositivos de Carburo de Silicio impulsadas por el creciente mercado de vehículos eléctricos (VE).
El sol brilla sobre el éxito solar
La Agencia Internacional de Energía (IEA, por sus siglas en inglés) estima que la capacidad de energía renovable aumentará un 8% para superar los 300 GW en 2022. Liderando el renacimiento de las energías renovables, según la agencia, está la energía solar fotovoltaica (PV), que representará el 60% de este crecimiento en la capacidad global de energías renovables. Detrás de este crecimiento hay varios motivos, incluyendo la resolución progresiva de algunos de los desafíos.
- Los paneles solares y la electrónica asociada se han vuelto más eficientes, mientras que también han logrado un menor costo en comparación con los combustibles fósiles — y a un ritmo más rápido que la energía eólica e hidroeléctrica. Los gobiernos de todo el mundo están fomentando esto mediante incentivos comerciales y apoyo regulatorio.
- La intermitencia característica de la generación de energía a partir del viento y la solar, agravada por la variabilidad climática2, puede mitigarse con la incorporación de sistemas de almacenamiento de energía (ESS, por sus siglas en inglés). Las mejoras en la tecnología de baterías están ofreciendo expansión de capacidad y costos más bajos, mientras que el diseño basado en Carburo de Silicio está haciendo que estos sistemas sean más eficientes.
- Una ventaja clave de la energía solar fotovoltaica es su amplia escalabilidad, desde unos pocos kilovatios en aplicaciones residenciales hasta megavatios en plantas solares a escala de servicios públicos. A diferencia de la energía eólica e hidroeléctrica, que son más viables con potencias muy altas y costosas inversiones a escala de servicios públicos, la energía solar se adapta a una diversa variedad de configuraciones de sistemas.
Panel para vista general del sistema ESS
Las arquitecturas solares generalmente se dividen en tres configuraciones. A nivel residencial, los microinversores admiten bloques de 1 a 4 paneles. Los inversores de cadena agrupan clústeres de paneles desde unos pocos kilovatios hasta aproximadamente 50 kW. Desde 50 kW hasta 200 kW, las cadenas se integran para atender instalaciones comerciales e industriales. Las instalaciones a escala de servicios públicos en el rango de megavatios han utilizado sistemas centralizados grandes, pero ahora a menudo optan por topologías distribuidas basadas en cadenas para reducir el tiempo y costo de instalación, así como el impacto de fallos puntuales y el costo total de mantenimiento.
El seguidor de punto de máxima potencia (MPPT), que es un circuito elevador DC-DC, toma el voltaje variable del conjunto de paneles y ofrece un voltaje constante más alto al bus interno (Figura 1). El DC más estable se convierte luego en AC estándar de la red mediante el inversor. En las implementaciones de ESS, un circuito bidireccional de buck-boost DC-DC actúa como cargador de batería. En caso de que el ESS necesite cargarse desde la red, el inversor también debe ser bidireccional.
Una vista general del sistema panel a red
Figura 1
Impulso a la tecnología de Carburo de Silicio
El Carburo de Silicio se adapta a esta aplicación desde configuraciones de baja potencia, como 1 kW, hasta más de 1 MW en el boost/MPPT DC-DC, el inversor bidireccional o el front end activo (AFE), y el circuito bidireccional de carga/descarga DC-DC en el ESS. Además, ofrece numerosas ventajas sobre el Silicio:
- Frecuencia de conmutación 3 veces mayor en la mayoría de las aplicaciones
- ~2% de aumento en la eficiencia del sistema o ~40% menos pérdidas
- Hasta un 50% más de densidad de potencia (3 veces más pequeño, 10 veces más ligero)
- Pasivos y disipadores de calor más pequeños
- Reduzca los costos totales de la lista de materiales (BOM) del sistema
Aunque los diodos Schottky de Carburo de Silicio se han utilizado durante mucho tiempo en el circuito de aumento MPPT para mejorar la eficiencia, ahora hay una adopción más amplia de implementaciones completas de Carburo de Silicio con MOSFETs. Por ejemplo, el diseño de referencia del convertidor elevador de Wolfspeed, modelo CRD-60DD12N de 15 kW y 4 canales, ofrece una eficiencia energética del 99.5% y conmutación a 78 kHz. En comparación con lo que se puede lograr con Silicio, este diseño proporciona un 1-2% más de eficiencia energética o aproximadamente un 70% de reducción en pérdidas, una densidad de potencia 3 veces mayor y una reducción de peso de 10 veces. Todo ese rendimiento a un costo menor de implementación del sistema.
El Carburo de Silicio tiene un impacto similar en la sección AFE. Una implementación de seis interruptores de IGBT de Silicio se utiliza comúnmente debido a su costo relativamente bajo y simplicidad (Figura 2). Sin embargo, su frecuencia de conmutación está limitada a un máximo de aproximadamente 20 kHz y, a niveles de alta potencia, significativamente menor que eso. Las topologías multinivel que utilizan dispositivos de Silicio Super Junction (SJ) permiten a los diseñadores alcanzar los niveles de voltaje altos necesarios con conmutación de alta frecuencia y buena eficiencia del sistema, pero solo a costa de un control complejo y un recuento significativamente mayor de piezas, así como un mayor costo de la lista de materiales (BOM), impulsado por interruptores adicionales y los drivers asociados de los dispositivos. Esto se ha demostrado con el diseño de referencia AFE de 22 kW CRD25AD12N-FMC de Wolfspeed.
El carburo de silicio permite un diseño de AFE más simple, eficiente y de menor costo.
Figura 2
En el espacio ESS, el mercado de vehículos eléctricos (EV) ha influido en la tendencia de almacenamiento de baterías, permitiendo el uso de paquetes de baterías de 200 V y potencialmente avanzando hacia 800-1000 V. Estos altos voltajes requieren dispositivos de alto voltaje en el convertidor bidireccional DC-DC. Los diseñadores han utilizado frecuentemente dispositivos SJ comunes de 650 V en topologías resonantes complejas y de múltiples niveles, donde el silicio está limitado a frecuencias de conmutación entre 80 kHz y 120 kHz. En cambio, implementaciones más simples totalmente de Carburo de Silicio, como el cargador bidireccional DC-DC de 22 kW CRD-22DD12N, pueden alcanzar frecuencias resonantes de alrededor de 200 kHz con un menor número de componentes y un costo total del sistema más bajo.
La combinación del AFE bidireccional basado en Carburo de Silicio y el cargador DC-DC resulta en varias ventajas a nivel de sistema:
- 40% menos pérdidas de energía que, a su vez, permiten
- Mejora del 2% en la eficiencia a nivel del sistema
- 50 % mejor densidad de potencia
- Hasta un 18% menos en el costo del sistema
Futuro construido con carburo de silicio de alta potencia
Varios avances clave a corto plazo están respaldados por sistemas basados en Carburo de Silicio. El mundo de la energía solar está transitando hacia un bus de 1500 V, lo que requiere dispositivos de 2 kV o una complicada topología multinivel. En el área de inversores centrales, se necesitarán dispositivos de voltaje medio a alto y módulos de potencia en el rango de 2 kV o superior.
El carburo de silicio ofrecerá un interruptor unipolar en lugar de los interruptores bipolares de los inversores centrales actuales, brindando las mismas ventajas en eficiencia, peso, tamaño y costo. La nueva tecnología también impactará nuevos segmentos, incluyendo transformadores de estado sólido, energía eólica y tracción.
Si bien existe una gran variedad de dispositivos discretos de Carburo de Silicio y módulos de potencia disponibles para cubrir las necesidades actuales, Wolfspeed continúa con su tradición de invertir en I+D para introducir nuevos productos en el mercado y satisfacer estos requisitos futuros.
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