Il clima ha costretto l'industria a proporre soluzioni energetiche alternative. Tecnologie innovative come la generazione di energia solare ed eolica hanno sostituito gli impianti tradizionali a combustibile a un ritmo crescente, e i risparmi sui costi dovuti all'immagazzinamento dell'energia e ai metodi di raccolta hanno superato quelli dei costosi impianti "peaker" a gas.
Grazie al governo che sostiene queste tecnologie relativamente nuove con politiche e incentivi, ci sono molte opportunità di miglioramento e di crescita nelle infrastrutture pubbliche dell'energia e nella struttura di rete a esse associata.
Recenti progressi per importanti miglioramenti
Una struttura di rete più vecchia, un tempo, consisteva in una fornitura di energia a senso unico e in una limitata produzione di energia come il combustibile fossile, l'energia idroelettrica e le centrali nucleari. I recenti progressi nel campo delle energie rinnovabili e del raccolto hanno permesso a questa stessa rete di espandere le sue fonti di generazione di energia elettrica (eolica e solare), creando al contempo una distribuzione flessibile e bidirezionale destinata a richieste variabili e opzioni di stoccaggio.
Parlando in modo specifico dell'energia solare, l'installazione richiede tipicamente inverter che convertono la tensione CC prodotta dai moduli fotovoltaici (FV) in una tensione CA, che viene poi ritrasferita alla rete. Uno dei modi più comuni per farlo è mediante uno schema di inverter di stringa, in cui la tensione CC proveniente da una stringa di pannelli solari viene alimentata a uno stadio di boost CC/CC, poi a un inverter CC/CA, e quindi collegata alla rete.
La Figura 1 mostra un tipico diagramma a blocchi di inverter solari di stringa completo di azionamento del gate, rilevamento ed elaborazione. L'erogazione di alimentazione per questa configurazione avviene generalmente con IGBT, FET ad alta tensione e, più comunemente, con moduli integrati di alimentazione (PIM) che contengono IGBT e diodi integrati.
Un'altra industria eco-consapevole con simili requisiti di alimentazione elevata è quella della ricarica dei veicoli elettrici (EV). La popolarità dei veicoli elettrici sta aumentando a un ritmo senza precedenti; sfortunatamente, non si può dire lo stesso delle loro stazioni di ricarica. L'infrastruttura per la ricarica dei veicoli elettrici non ha raggiunto una disponibilità simile a quella di una stazione di rifornimento con il tempo di rifornimento necessario per far sì che i consumatori si sentano a proprio agio in termini di autonomia di viaggio con ritardi minimi. È stato dimostrato che i sistemi di ricarica rapida in corrente continua (rispetto ai sistemi di ricarica più lenti basati sulla corrente alternata) che funzionano a livelli di alimentazione di 350 kW sono in grado di ricaricare completamente un veicolo in meno di 10 minuti.
La Figura 2 mostra un esempio di un tipico diagramma a blocchi a carica rapida in corrente continua contenente i componenti del percorso di alimentazione e le relative elaborazioni e periferiche.
Si è scoperto che i componenti a base di carburo di silicio (SiC) possono fornire una migliore soluzione di fornitura di energia per le infrastrutture energetiche pubbliche, come le reti elettriche e le stazioni di ricarica dei veicoli elettrici. Una soluzione di questo tipo potrebbe, a sua volta, fornire un miglioramento in termini di migliori perdite di conduzione, corrente di dispersione, gestione termica, capacità di sovratensione e densità di alimentazione. Inoltre, la tecnologia basata sul SiC consente una migliore efficienza complessiva, con una maggiore affidabilità e un ingombro complessivo inferiore. Le aziende leader del settore come onsemi offrono una gamma di dispositivi SiC. Esplora questi dispositivi e scopri di più su alcune delle loro applicazioni.
Tecnologia SiC - Una soluzione migliore
Che si tratti di applicazioni solari, di ricarica di veicoli elettrici o anche di server farm, è stato dimostrato che la tecnologia SiC è in grado di offrire prestazioni migliori rispetto ai componenti e ai moduli tradizionali in silicio come gli IGBT/MOSFET al silicio. Ma partiamo da un argomento a cui ogni progettista pensa: l'efficienza.
Come fa il SiC ad aumentare l'efficienza? Sono coinvolti molti fattori, ma soprattutto i vantaggi del SiC includono temperature e frequenze di funzionamento più elevate (fino a 1 MHz) con minori perdite di conduzione (Vf), insieme a valori massimi di tensione e corrente più elevati (tensione di scarico fino a 1.800 V e capacità di corrente fino a 100 A), che, a loro volta, consentono una maggiore efficienza energetica e minori esigenze di raffreddamento rispetto ai MOSFET al silicio.
La Figura 3 include un diagramma che mostra come la tecnologia SiC fornisce alcune delle più elevate capacità di alimentazione complessiva per applicazioni ad alta tensione e ad alta corrente.
Dato che la resistenza di questi dispositivi SiC è inferiore e la capacità di alimentazione è molto più elevata, una soluzione basata su SiC si traduce in una maggiore efficienza operativa.
La Figura 4 mostra come un diodo basato su SiC e un MOSFET in tandem possono contribuire a migliorare l'efficienza energetica di un convertitore boost da 5 kW abbassando le perdite di conduzione fino al 73%.
L'ingombro per i circuiti basati su SiC è generalmente molto più ridotto a causa dei minori requisiti dimensionali degli induttori e dei condensatori associati. Infatti, in alcuni casi, le sue dimensioni sono inferiori anche del 75% a causa delle frequenze di commutazione più elevate rispetto ai circuiti a base di silicio che operano allo stesso livello di alimentazione. Questo è ciò che fornisce la maggiore densità di alimentazione. E mentre i MOSFET SiC sono tipicamente 4 volte più costosi dei tradizionali MOSFET al silicio, il costo complessivo del sistema scende a causa di questi induttori e condensatori più piccoli.
Per quanto riguarda l'assemblaggio e l'integrazione meccanica, è stato dimostrato che i PIM di ON Semconductor, come i moduli Q0/Q1/Q2PACK, che incorporano componenti SiC per contribuire a ridurre il numero complessivo di componenti, semplificano il processo di produzione e riducono il rischio di sviluppo, consentendo al contempo un più rapido time-to-market.
Inoltre, le soluzioni discrete e non integrate richiedono generalmente più tempo per l'assemblaggio dei componenti di gestione termica, come le piastre di isolamento e i dissipatori di calore, introducendo al tempo stesso un maggiore rischio di un cattivo contatto termico. Le soluzioni PIM forniscono un processo di assemblaggio molto più semplice, con conseguente riduzione dei tempi e dei costi di assemblaggio e una maggiore affidabilità, consentendo inoltre un prodotto finale più compatto grazie ai vantaggi della densità di alimentazione.
La Figura 5 mostra un confronto del processo di assemblaggio per una soluzione discreta rispetto ad un modulo PIM.
Applicazione delle soluzioni di alimentazione onsemi alle moderne applicazioni SiC
I moduli PIM di onsemi forniscono una commutazione più rapida, una maggiore efficienza energetica e una maggiore densità di alimentazione; queste soluzioni consentono inoltre di ridurre i costi e le dimensioni del sistema, ma non è tutto. I moduli PIM non sono sempre preferiti rispetto ai componenti discreti, e la classificazione di alimentazione dell'applicazione, insieme alle considerazioni sulle prestazioni e sui costi, guidano in genere la decisione di progettazione. onsemi offre sia soluzioni discrete che PIM SiC.
La Figura 6 mostra come si può scegliere tra una soluzione discreta o PIM.
Gli alimentatori ausiliari ad alta tensione, utilizzati per applicazioni come UPS, azionamento di motori o un inverter fotovoltaico, hanno tipicamente tensioni del circuito intermedio che vanno da 300 V CC a 1.000 V CC, rendendo difficile l'incorporazione di alimentatori ausiliari a bassa tensione per display, ventole o riscaldatori. Ma i MOSFET SiC funzionano con una tensione di blocco molto più elevata e un campo di tensione di ingresso più ampio, consentendo così una maggiore flessibilità e capacità del sistema. Inoltre, frequenze più alte e una minore resistenza all'ondulazione si traducono in soluzioni molto più piccole e di maggiore alimentazione, come discusso nella sezione dei vantaggi di SiC. Osserva un confronto diretto tra un alimentatore conFigurato ESBC che funziona a 75 kHz e un alimentatore basato su SiC che funziona a 300 kHz. La fornitura SiC presenta una dimensione inferiore (circa la metà), 20% in più di alimentazione in uscita, e un'efficienza di alimentazione significativamente più elevata.
La Figura 7 include un confronto di dimensioni ed efficienza.
onsemi offre un'ampia gamma di tecnologie di commutazione e tipi di imballaggio in base alle esigenze dell'applicazione, oltre a driver isolati.
Vedere la Figura 8 per l'intera gamma di dispositivi SiC di onsemi.
Conclusione
La tecnologia SiC offre molti vantaggi che migliorano l'efficienza energetica e l'affidabilità del sistema dell'hardware ad alta alimentazione utilizzato per un'industria di infrastrutture energetiche pubbliche in rapida crescita e finanziate dallo stato, riducendo al contempo i costi e le dimensioni complessive del sistema.
Se si tratta di una rete elettrica che utilizza energia rinnovabile, una stazione di ricarica di veicoli elettrici, o altre applicazioni ad alta tensione/alta corrente, il vantaggio SiC dovrebbe essere preso in considerazione. Esplora la gamma di prodotti leader del settore di onsemi su Arrow.com per una vasta selezione di dispositivi SiC adatti a tutte le applicazioni.