Il carburo di silicio porta le alternative verdi in un ciclo virtuoso
La consapevolezza ecologica e le normative che guidano il mercato dei veicoli elettrici (EV) hanno alimentato l'innovazione nella tecnologia delle batterie e nella progettazione basata sul Carburo di Silicio, trasformando la generazione di energia verde. La necessità di espandere l'energia rinnovabile è ora critica. L'aumento della variabilità climatica, i problemi a breve termine della catena di approvvigionamento dei combustibili fossili e le risorse limitate di combustibili fossili a lungo termine di fronte a una domanda energetica in costante crescita hanno spostato l'equilibrio a favore delle fonti di energia verde regionali. Incrementare significativamente il ritorno sull'investimento (ROI) nell'energia rinnovabile, in particolare nell'energia solare ed eolica, significa aumentare l'efficienza, la capacità, la densità di potenza e la convenienza dei sistemi di accumulo di energia (ESS). E soluzioni sono ora disponibili per aiutare a raggiungere tutti questi obiettivi grazie alle innovazioni nella tecnologia delle batterie e nei dispositivi a Carburo di Silicio, accelerati dal crescente mercato dei veicoli elettrici (EV).
Il sole brilla sul successo solare
L'Agenzia Internazionale per l'Energia (IEA) stima che la capacità rinnovabile aumenterà dell'8% superando i 300 GW nel 2022. A guidare la rinascita delle energie rinnovabili, secondo l'agenzia, è il fotovoltaico solare (solar PV), che rappresenterà il 60% di questa crescita nella capacità rinnovabile globale. Dietro questa crescita ci sono diversi motivi, tra cui la progressiva risoluzione di alcune delle sfide.
- I pannelli solari e l'elettronica associata sono diventati più efficienti, ottenendo al contempo un costo inferiore rispetto ai combustibili fossili — e a un ritmo più rapido rispetto a vento e idroelettrico. I governi a livello globale stanno rafforzando questo processo attraverso incentivi commerciali e supporto normativo.
- La caratteristica intermittenza della generazione di energia da vento e solare, aggravata dalla variabilità climatica2, può essere mitigata con l'aggiunta di sistemi di accumulo di energia (ESS). I miglioramenti nella tecnologia delle batterie stanno offrendo un'espansione della capacità e costi inferiori, mentre il design basato sul Carburo di Silicio sta rendendo questi sistemi più efficienti.
- Un vantaggio fondamentale del fotovoltaico solare è la sua ampia scalabilità, che spazia da pochi kilowatt nelle applicazioni residenziali a diversi megawatt nei parchi solari su scala industriale. A differenza dell'eolico e dell'idroelettrico, che sono maggiormente adatti a livelli di potenza molto elevati e richiedono investimenti costosi su scala industriale, il solare si adatta a una vasta gamma di configurazioni di sistema.
Panoramica del pannello del sistema ESS
Le architetture solari generalmente si suddividono in tre configurazioni. A livello residenziale, i microinverter supportano blocchi da 1 a 4 pannelli. Gli inverter di stringa aggregano cluster di pannelli da alcuni kilowatt fino a circa 50 kW. Dai 50 kW ai 200 kW, le stringhe vengono integrate per soddisfare installazioni commerciali e industriali. Le installazioni su scala utility nell'ordine dei megawatt hanno utilizzato sistemi centralizzati di grande dimensione, ma ora scelgono spesso topologie distribuite basate su stringhe per ridurre i tempi e i costi di installazione, l'impatto di guasti puntuali, oltre ai costi generali di manutenzione.
Il massimo inseguimento del punto di potenza (MPPT), che è un circuito DC-DC boost, prende la tensione variabile dall'array di pannelli e offre una tensione costante e più alta al bus interno (Figura 1). Il DC più stabile viene quindi convertito in AC conforme agli standard di rete dall'inverter. Nelle implementazioni di ESS, un circuito bidirezionale DC-DC buck-boost funge da caricabatterie. Se l'ESS necessita di essere caricato dalla rete, anche l'inverter deve essere bidirezionale.
Panoramica del sistema da pannello a rete
Figura 1
Incremento della tecnologia al Carburo di Silicio
Il Carburo di Silicio si adatta perfettamente a questa applicazione, da configurazioni di bassa potenza di 1 kW fino a oltre 1 MW, nel boost/MPPT DC-DC, nell'inverter bidirezionale o nell'active front end (AFE), e nel DC-DC bidirezionale nel circuito di carica/scarica del sistema di accumulo di energia (ESS). Inoltre, offre numerosi vantaggi rispetto al Silicio:
- Frequenza di commutazione 3 volte superiore nella maggior parte delle applicazioni
- ~2% di aumento dell'efficienza del sistema o ~40% di perdite inferiori
- Fino al 50% di densità di potenza superiore (3 volte più piccolo, 10 volte più leggero)
- Passivi e dissipatori più piccoli
- Riduzione dei costi totali della distinta base del sistema
Sebbene i diodi Schottky al Carburo di Silicio siano stati a lungo utilizzati nel circuito di boost MPPT per aumentare l'efficienza, ora si sta adottando più ampiamente l'implementazione completa con MOSFET in Carburo di Silicio. Ad esempio, il design di riferimento del convertitore boost a 15 kW per 4 canali CRD-60DD12N di Wolfspeed offre un'efficienza energetica del 99,5% e operazioni a una frequenza di switching di 78 kHz. Rispetto a ciò che è possibile ottenere con il Silicio, questo design offre un'efficienza energetica superiore dell'1-2% o una riduzione delle perdite di circa il 70%, una densità di potenza 3 volte superiore e una riduzione del peso di 10 volte. Tutte queste prestazioni a un costo inferiore per l'implementazione del sistema.
Il Carburo di Silicio ha un impatto simile sulla sezione AFE. Una configurazione a sei interruttori con IGBT in Silicio è comunemente utilizzata per il suo costo relativamente basso e la sua semplicità (Figura 2). Tuttavia, la sua frequenza di commutazione è limitata a un massimo di circa 20 kHz e, a livelli di alta potenza, è significativamente inferiore a tale valore. Le topologie multi-livello che utilizzano dispositivi Silicon Super Junction (SJ) permettono ai progettisti di raggiungere i livelli di alta tensione necessari con una commutazione ad alta frequenza e una buona efficienza del sistema, ma solo a costo di un controllo complesso e di un conto BOM significativamente più alto, causato dal maggior numero di componenti e dal costo dei driver dei dispositivi associati. Questo è stato dimostrato dal design di riferimento AFE da 22 kW di Wolfspeed, CRD25AD12N-FMC.
Il Carburo di Silicio permette un design AFE più semplice, efficiente e a costo inferiore.
Figura 2
Nello spazio ESS, il mercato dei veicoli elettrici (EV) ha influenzato la tendenza dello stoccaggio di batterie, consentendo l'uso di pacchi batterie da 200V e potenzialmente spingendo verso una gamma di 800-1000 V. Queste alte tensioni richiedono dispositivi ad alta tensione nel convertitore bidirezionale DC-DC. I progettisti hanno spesso utilizzato dispositivi SJ comuni da 650 V in topologie risonanti complesse e multilivello, dove il Silicio ha un limite di commutazione compreso tra 80 kHz e 120 kHz. Al contrario, implementazioni più semplici basate interamente sul Carburo di Silicio, come il caricatore bidirezionale DC-DC CRD-22DD12N da 22 kW, possono raggiungere frequenze risonanti di circa 200 kHz con un numero ridotto di componenti e un costo complessivo del sistema inferiore.
La combinazione dell'AFE bidirezionale basato sul Carburo di Silicio e del caricatore DC-DC comporta diversi vantaggi a livello di sistema:
- Perdite di energia inferiori del 40% che a loro volta consentono
- Miglioramento del 2% nell'efficienza a livello di sistema
- Densità di potenza migliorata del 50%
- Fino al 18% di riduzione dei costi del sistema
Futuro costruito con il potente Carburo di Silicio
Diversi trend chiave nel breve termine sono supportati dai sistemi basati sul Carburo di Silicio. Il settore solare si sta orientando verso un bus da 1500 V, che richiede dispositivi da 2 kV o una complessa topologia multi-livello. Nell'ambito degli inverter centrali, saranno necessari dispositivi e moduli di potenza di medio-alto voltaggio nella gamma di 2 kV o superiore.
Il Carburo di Silicio offrirà uno switch unipolare rispetto agli switch bipolari presenti negli inverter centrali odierni, garantendo gli stessi vantaggi in termini di efficienza, peso, dimensioni e costi. La nuova tecnologia avrà inoltre un impatto su nuovi settori, tra cui trasformatori a stato solido, energia eolica e trazione.
Sebbene vi sia una grande varietà di dispositivi discreti e moduli di potenza al Carburo di Silicio disponibili per soddisfare le esigenze attuali, Wolfspeed continua la sua tradizione di investire in ricerca e sviluppo per introdurre nuovi prodotti sul mercato e rispondere a queste future necessità.
Tag articolo
