Standard di efficienza energetica con il carburo di silicio Wolfspeed

Efficienza Energetica03 dic 2022

Il Carburo di Silicio (SiC) offre una tecnologia dei semiconduttori in grado di soddisfare tutti i nuovi standard di efficienza per dimensioni, peso e requisiti di potenza senza compromessi non praticabili.

Le statistiche di ottobre 2021 dell'Agenzia Internazionale per l'Energia (IEA), che comprende 30 paesi membri e otto associazioni di paesi, confermano l'impegno verso un aumento dell'efficienza nel consumo di energia. Mentre i bilanci nazionali destinati all'efficienza energetica e alle energie rinnovabili continuano a crescere, l'IEA rileva che la quota dei bilanci dedicata all'efficienza energetica è passata dal 7% nel 1990 al 26% nel 2020.¹

Le nuove centrali elettriche costano oltre 500 milioni di dollari e richiedono da due a sei anni per essere costruite, e il CAGR di circa il 7% del mercato degli elettrodomestici supera la capacità di portare online nuova produzione di energia. La definizione delle politiche è quindi sempre più dominata da discussioni sull'uso efficiente delle risorse globali.

Nelle Americhe, gli standard ENERGY STAR® e 80 PLUS® stanno influenzando l'ingegneria e il comportamento dei consumatori. Il programma ENERGY STAR, in particolare, sta ampliando i propri requisiti per includere i caricatori di veicoli elettrici (EV) domestici e commerciali.

Nella regione Europa, Medio Oriente e Africa (EMEA), l'urgenza di raggiungere gli obiettivi dell'Accordo di Parigi per mantenere l'aumento della temperatura globale al di sotto dei 2°C in questo secolo ha spostato l'attenzione sugli interventi di miglioramento dell'efficienza nei sistemi di riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC).

La Grande Cina e il Sud-est asiatico (GCSEA) stanno anche enfatizzando l'efficienza degli elettrodomestici per i consumatori con nuove etichettature e standard minimi di prestazione energetica. Ad esempio, il 1° luglio 2020, la Cina ha implementato uno dei requisiti di efficienza energetica più rigorosi al mondo per i condizionatori d'aria, richiedendo che siano circa il 15% più efficienti. Poiché il paese è il maggiore acquirente e produttore di questi elettrodomestici, ciò potrebbe portare a una significativa riduzione del consumo di energia e dell'impronta di carbonio.

Esigenze di efficienza soddisfatte da Wolfspeed Silicon Carbide

L'impatto diretto dei nuovi standard di efficienza è l'indiscussa necessità del Carburo di Silicio (SiC) come tecnologia semiconduttore abilitante, in grado di soddisfare tutti i requisiti di dimensione, peso e potenza senza compromessi insostenibili.

Figura 1: Il portafoglio di Wolfspeed® include prodotti che soddisfano l'intero spettro di scalabilità della potenza.

Implementazione Discreta:

Massimizza la flessibilità della topologia
Minimizzare il costo totale della distinta base (BOM)
Il più grande portafoglio discreto del settore
Da 1A a 150A, da 600V a 1700V
MOSFET G3 ottimizzato per le prestazioni
Pedigree di ore sul campo, comprovata affidabilità a lungo termine
Massimizza la densità di potenza

Implementazione del Modulo:

Semplifica il layout e l'assemblaggio
Abilitare sistemi/piattaforme scalabili
Minimizza i costi della manodopera e dei componenti del sistema
Il portafoglio più ampio dell'industria di moduli full Silicon Carbide
Impronte di più moduli sia standard industriali che ottimizzati per il carburo di silicio

Con la più ampia quota di mercato nella tecnologia SiC, oltre 30 anni di innovazione nel settore della potenza e più di 17 anni di produzione di diodi e MOSFET, Wolfspeed aiuta i progettisti a soddisfare i requisiti delle normative in applicazioni chiave, tra cui motori e alimentatori a commutazione (SMPS), utilizzati in molti settori e in alcuni dei segmenti a più rapida crescita, come le infrastrutture di ricarica per veicoli elettrici (EV). I dispositivi SiC dell'azienda superano di gran lunga i componenti convenzionali al silicio (Si) e stabiliscono nuovi standard di efficienza e affidabilità.

Pronto per gli standard di efficienza dei motori IEC

L'uso finale più grande e singolo dell'elettricità è rappresentato dai sistemi alimentati da motori elettrici (EMDS) negli elettrodomestici, nei sistemi industriali e, sempre più spesso, nei veicoli elettrici (EVs). Si stima che nel 2009 dal funzionamento degli EMDS derivassero il 43% al 46% del consumo globale di elettricità e 6.040 megatoni (Mt) di emissioni di CO2. Senza il supporto di politiche e standard, gli EMDS potrebbero consumare 13.360 TWh e generare annualmente 8.570 Mt di emissioni di CO2 entro il 2030.²

Lo standard globale IEC/EN 60034-30-1 affronta l'efficienza in questo ambito applicativo. Definendo le classi di efficienza International Efficiency 1 (IE1) fino a IE4, con una futura classe IE5, lo standard ha ampliato il suo campo di applicazione nel 2014 per includere motori a due, quattro, sei e otto poli con una potenza nominale da 120 W a 1.000 kW e con un ingresso da 50 V a 1 kV.

La maggior parte dei paesi richiede già o richiederà presto una valutazione minima di IE3, mentre l'EMEA esigerà IE4 a partire da luglio 2023 per i motori nella gamma da 75 a 200 kW. Passare da IE2 a IE3 per un motore a quattro poli da 2,2 kW significa aumentare l'efficienza dal 84,3% al 86,7%, con una riduzione delle perdite del 15,2%. La transizione da IE3 a IE4 richiede una riduzione delle perdite del 21%, poiché l'efficienza totale aumenta al 89,5%. Tali transizioni comporteranno la necessità di riprogettare i sistemi, processo che risulta più semplice passando dal silicio (Si) al carburo di silicio (SiC).

Per i veicoli elettrici (EV), che utilizzano inverter per drivetrains EV da 90 kW a oltre 350 kW, aumentare l'efficienza e diminuire dimensioni e peso si traduce in una massimizzazione dell'autonomia del veicolo. I design basati su Wolfspeed SiC agevolano i progetti bidirezionali per abilitare la frenata rigenerativa, riducono le perdite dell'80% e diminuiscono le dimensioni del 30% mentre abbassano i costi del sistema, come evidenziato dal test su strada reale in Figura 2.

Figura 2: Le perdite dell'inverter al Carburo di Silicio sono significativamente inferiori rispetto a quelle nei sistemi basati su Silicio (grafico). I risparmi sui costi derivanti dalla riduzione dello spazio e del raffreddamento si aggiungono a quelli indicati sopra e variano in base al modello di veicolo.

Nuovi standard per l'efficienza degli alimentatori a modalità commutata (SMPS)

Gli SMPS sono ampiamente utilizzati nei segmenti commerciale, industriale, degli elettrodomestici, dell'energia e dei veicoli elettrici. Solo una applicazione, il data center, ha consumato circa 205 TWh nel 20183 — ovvero l'1% del consumo globale di energia elettrica.

I requisiti di efficienza ENERGY STAR sono superati dai requisiti di certificazione Platinum e Titanium del programma 80 PLUS, così come dalle normative Ecodesign dell'UE in Europa (regolamenti ErP Lot 9), che prevedono un aggiornamento ancora più rigoroso programmato per gennaio 2026. Le specifiche PSU ORV3 del progetto Open Compute (OCP) richiedono il 40% di perdite in meno rispetto a ORV2 e 80 PLUS Titanium (Figura 3).

Figura 3: I nuovi standard richiedono un'efficienza >98,55% dal PFC e >97,12% dalla fase DC/DC.

Questi standard impongono nuove esigenze nella progettazione dell'alimentazione e richiedono ai progettisti di valutare attentamente le topologie utilizzate. Mentre un PFC (Power Factor Correction) a totem-pole semi-bridgeless basato su SiC con diodi Si nel ramo a bassa frequenza potrebbe offrire un'efficienza del 98,9% per gli standard più recenti 80 PLUS, ORV3 sposta la preferenza verso un PFC a totem-pole completamente bridgeless con MOSFET SiC per raggiungere un'efficienza del 99,1%.

I MOSFETs SiC C3M™ 650 V di Wolfspeed sono particolarmente adatti a questa applicazione. Il design di riferimento PFC da 2,2 kW raggiunge lo standard 80 PLUS Titanium con un'efficienza >98,5% e THD <5% nelle applicazioni industriali, nei caricabatterie per veicoli elettrici e negli alimentatori per server/telecomunicazioni.

ENERGY STAR® certifica i caricabatterie per veicoli elettrici

Il governo degli Stati Uniti ha approvato 5 miliardi di dollari nei prossimi cinque anni per costruire un'infrastruttura di 500.000 caricatori veloci DC, ciascuno in grado di erogare un minimo di 150 kW per porta e di caricare simultaneamente quattro veicoli elettrici (EV). Nel frattempo, la specifica ENERGY STAR per le apparecchiature di alimentazione dei veicoli elettrici (EVSE) è entrata in vigore il 31 marzo 2021, richiedendo un'efficienza di carica attiva minima del 93% per caricatori fino a 65 kW e includendo sotto il suo ambito i caricatori veloci DC fino a 350 kW. I caricatori per veicoli elettrici certificati generalmente richiedono circa il 40% di energia in meno in modalità standby.

Figura 4: Wolfspeed® Silicon Carbide riduce le perdite del 42% con una densità di potenza maggiore del 51% e costi di sistema più bassi in questo confronto tra un sistema completo bidirezionale da 22 kW per la ricarica rapida DC con Silicio rispetto al Carburo di Silicio.

Sia gli utenti commerciali che quelli domestici cercano le certificazioni ENERGY STAR, e i MOSFET e i diodi di Wolfspeed consentono un'efficienza superiore dell'1% al 2%, un incremento della densità di potenza del 35% al 50% a costi di sistema comparabili, un raffreddamento del sistema complessivo ridotto, involucri meccanici più piccoli ed economici, e una migliore ricarica bidirezionale per il veicolo verso la rete rispetto a quanto possibile con i progetti basati su Si (Figura 4).

Portafoglio per l'efficienza energetica

Per soddisfare un'ampiezza impareggiabile di considerazioni progettuali, Wolfspeed offre un altrettanto ampio portafoglio di prodotti al Carburo di Silicio che spazia da 600 V a 1700 V, con soluzioni da 3,3 kV e superiori in fase di sviluppo, e da 1 A fino a quasi 1 kA nei moduli di potenza. Qualunque sia l'applicazione di potenza, c'è un prodotto discreto al Carburo di Silicio di Wolfspeed, un modulo più piccolo senza piastra di base costruito secondo gli standard industriali, o un modulo ottimizzato ad alta potenza che non solo aiuta i progettisti a soddisfare gli standard più recenti, ma anche a pianificare i requisiti futuri nei loro piani di sviluppo.

Fonti: