Las soluciones industriales verdes están impulsando el crecimiento del mercado de aplicaciones energéticas
A medida que las personas priorizan cada vez más la protección ambiental, enfatizan la conservación de energía, la reducción de emisiones y un estilo de vida bajo en carbono, el cambio hacia la energía verde, la electrificación y la eficiencia energética está impulsando un rápido crecimiento en productos y aplicaciones relacionados con la vida diaria y los sectores industriales, como vehículos eléctricos, generación de energía fotovoltaica, almacenamiento de energía, entre otros. Este artículo le proporcionará una visión general del concepto y aplicaciones de Green Industrial Solutions (GIS) y las soluciones de aplicación relevantes presentadas por onsemi.
Las aplicaciones industriales se están orientando hacia el desarrollo de energía verde y electrificación
En comparación con el consumo de energía en los sectores de consumo e industrial, las aplicaciones industriales son los verdaderos grandes consumidores de energía. Por lo tanto, bajo la tendencia de protección ambiental centrada en el bajo carbono y la descarbonización, muchas aplicaciones industriales están cambiando hacia el uso de energía verde y la electrificación para impulsar la transformación energética y alcanzar los objetivos de desarrollo de la industria verde. Actualmente, soluciones como soluciones solares, accionamientos industriales, bombas de calor, HVAC industrial, suministro ininterrumpido de energía (UPS), transformadores de estado sólido (SST), almacenamiento de energía y carga rápida de DC son todas aplicaciones que pueden utilizar soluciones energéticamente eficientes de alto rendimiento para la optimización energética. Según los datos de investigación de mercado, se espera que la instalación global de sistemas fotovoltaicos (PV) aumente a 450 GW en 2024 y, posteriormente, a 684 GW en 2027, con una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 14.4% (estimado en 400 GW en 2023, en comparación con 252 GW en 2022). También se proyecta que el mercado global de sistemas de almacenamiento de energía (ESS) crezca rápidamente, aumentando de 100 GWh en 2023 a 258 GWh en 2026, con un CAGR del 37%. Además, la combinación de energía solar y tecnologías de almacenamiento de energía, junto con el creciente uso de la nube y el desarrollo de aplicaciones regenerativas de inteligencia artificial (AI), contribuye a la disminución del costo nivelado de energía (LCOE), convirtiéndolo en una de las formas de producción de energía más rentables. El rápido crecimiento del mercado de vehículos eléctricos también está impulsando la demanda de instalación de cargadores rápidos de DC de alta potencia (250KW+) y cargadores de megavatios. Por otro lado, el auge de los sistemas de red distribuidos también ha impulsado la demanda de SST, almacenamiento de energía y energía solar. Además, el desarrollo de micro redes equipadas con sistemas fotovoltaicos, sistemas de almacenamiento de energía (ESS) y cargadores residenciales bidireccionales (<22KW) está ganando impulso. Asimismo, a partir de 2023, la regulación 80 PLUS Titanium de la Unión Europea requiere una mayor densidad de potencia para bombas de calor y accionamientos de motores. Todos estos factores contribuyen a las tendencias de rápido crecimiento en el mercado industrial verde.
La aplicación de bombas de calor es un mercado emergente en rápido crecimiento
Analizando las tendencias de desarrollo en aplicaciones de energía solar y almacenamiento de energía, en aplicaciones residenciales, se espera que los Power Integrated Modules (PIM) se orienten hacia un desarrollo discreto, y los semiconductores de potencia transicionarán de basados en silicio a Carburo de Silicio (SiC), con los módulos SiC convirtiéndose en el producto principal. En sectores comerciales, se espera que los PIM se orienten hacia alta potencia discreta, y los módulos híbridos SiC se convertirán en una tendencia. En redes de servicios públicos a gran escala, los módulos PIM grandes y los semiconductores de potencia basados en IGBT serán los productos principales, y la potencia se actualizará de 225KW a 350KW, con los anteriores fotovoltaicos de 1500V actualizándose a fotovoltaicos de 2KV. En la aplicación de cargadores de vehículos eléctricos (EV), se espera que el voltaje de carga para estaciones de carga residenciales sea principalmente de 650 V, mientras que las estaciones externas de carga rápida en CC avanzarán hacia los 1200 V para mejorar la velocidad y eficiencia de carga. Este desarrollo busca abordar el desafío de las velocidades de carga lenta para los vehículos eléctricos, haciéndolos más atractivos para los consumidores. Además, en los productos de control de transmisión como HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) y control de motores, se espera que el control de frecuencia variable de motores, la conversión de potencia y los inversores utilicen extensamente semiconductores de potencia de 650 V y 1200 V (PIM, IGBT, diodos). Las bombas de calor representan otro mercado emergente en rápido crecimiento. Tomando como ejemplo el mercado europeo, el mercado actual de bombas de calor en la Unión Europea se acerca a 3 millones de unidades, y se espera que crezca a alrededor de 4 millones de unidades para 2025 y aumente aún más a 7 millones de unidades para 2030. Lograr los objetivos de descarbonización para calefacción de espacios y agua podría resultar en una reducción de emisiones de Co2 equivalente a las emisiones anuales de gases de escape de los coches en Europa. Además, para incentivar a los consumidores a adoptar bombas de calor, Estados Unidos ha introducido la Ley de Reducción de la Inflación (IRA), una política de crédito fiscal que puede proporcionar hasta un 30% de reducción en los costos de instalación. Desde una perspectiva de mercado, aunque actualmente los fabricantes japoneses de HVAC están liderando el sector de las bombas de calor, pronto se espera que la Unión Europea (Bosch), Corea del Sur (Samsung, LG) y los fabricantes chinos de HVAC ingresen a este mercado altamente prometedor.
El IGBT de 1200V de súper alta eficiencia reduce significativamente las pérdidas de conducción y conmutación
Viendo el prometedor desarrollo del mercado industrial verde, onsemi ha introducido una serie de productos de Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT) de 1200V de súper alta eficiencia para abordarlo. Estos dispositivos cuentan con niveles de rendimiento líderes en la industria, minimizando las pérdidas de conducción y conmutación al máximo. Están diseñados para mejorar la eficiencia de aplicaciones de conmutación rápida y se utilizarán principalmente en aplicaciones de infraestructura energética como inversores solares, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), almacenamiento de energía y conversión de energía para carga de vehículos eléctricos. El Trench Field Stop (TFS) FS7 IGBT de 1200V de onsemi se utiliza en aplicaciones de infraestructura energética de alta frecuencia de conmutación para aumentar la entrada a alta tensión (etapa de aumento) y en inversores para proporcionar salida en corriente alterna. Las bajas pérdidas de conmutación del dispositivo FS7 permiten frecuencias de conmutación más altas, reduciendo el tamaño de los componentes magnéticos, aumentando la densidad de potencia y disminuyendo los costos del sistema. Para aplicaciones de infraestructura energética de alta potencia, el coeficiente de temperatura positivo del dispositivo FS7 facilita la operación en paralelo. El dispositivo FS7 está disponible en versiones de alta velocidad (serie S) y velocidad media (serie R). Todos los dispositivos cuentan con un diodo optimizado para bajo VF, reduciendo las pérdidas de conmutación, y pueden operar a una temperatura de unión (TJ) de hasta 175°C. Los dispositivos de la serie S, como el FGY75T120SWD, superan a los IGBT de 1200V existentes en el mercado en términos de rendimiento de conmutación. Probados con corrientes de hasta 7 veces el valor nominal, estos productos IGBT de alta fiabilidad ofrecen inmunidad a bloqueo de la mejor calidad. La serie R está optimizada para aplicaciones de conmutación a velocidad media, enfocándose en las pérdidas de conducción, como el control de motores y relés de estado sólido. El FGY100T120RWD exhibe un VCESAT tan bajo como 1.45V a 100A, reduciendo 0.4V en comparación con los dispositivos de generaciones anteriores. El FGY100T120RWD es una tecnología de campo de parada de séptima generación IGBT de última generación y diodo Gen7. Viene en un paquete TP247 de 3 pines, ofreciendo un rendimiento óptimo con bajas pérdidas de conducción y excelente controlabilidad de conmutación. Esto lo hace adecuado para diversas aplicaciones como control de motores, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), centros de datos, interruptores de alta potencia y más, asegurando una operación eficiente. El dispositivo FS7 está disponible en diferentes paquetes como TO247-3L, TO247-4L, Power TO247-3L y también se puede proporcionar como un die desnudo, ofreciendo flexibilidad de diseño y configuraciones alternativas para los diseñadores.
Los MOSFETs de SiC y los diodos cumplen con los requisitos de aplicaciones de alta potencia
Un Transistor de Efecto de Campo de Óxido de Metal-Semiconductor (MOSFET) es un tipo de transistor con una compuerta aislada. Aunque los elementos del diseño son similares, estos MOSFET de Carburo de Silicio (SiC) tienen mayor voltaje de bloqueo y mejor conductividad térmica en comparación con los MOSFET de Silicio (Si). Los dispositivos de potencia SiC también exhiben menor resistencia en estado activo y una resistencia a la ruptura 10 veces mayor que la del silicio convencional. En general, los sistemas que emplean MOSFET SiC ofrecen mejor rendimiento y mayor eficiencia en comparación con los que utilizan MOSFET fabricados con materiales de silicio. Elegir MOSFET SiC sobre MOSFET de silicio conlleva varias ventajas, como frecuencias de conmutación más altas. Al usar módulos MOSFET SiC, la operación en alta temperatura no es un problema, ya que estos dispositivos pueden funcionar eficientemente incluso en condiciones de gran calor. Además, al usar MOSFET SiC, se puede aprovechar tamaños de producto más compactos, ya que todos los componentes (inductores, filtros, etc.) son más pequeños. onsemi ha introducido una serie de MOSFETs y diodos SiC para satisfacer las demandas de aplicaciones de alta potencia. Los MOSFET SiC de onsemi están diseñados para ser rápidos y robustos, ofreciendo ventajas para el sistema, tales como alta eficiencia, tamaño reducido del sistema y ahorro en costos. onsemi ha introducido MOSFET SiC de 650V (series M2 y M3) y MOSFET SiC de 1200V (serie M3), conocidos como EliteSiC MOSFETs. Estos nuevos productos utilizan tecnología avanzada y ofrecen un desempeño superior de conmutación y mayor confiabilidad en comparación con el silicio. Además, la baja resistencia en estado activo y los tamaños compactos de los chips aseguran baja capacitancia y carga de compuerta. Por lo tanto, las ventajas para el sistema incluyen mayor eficiencia, frecuencias de operación más rápidas, mayor densidad de potencia, menor EMI y tamaños de sistema más pequeños. La serie de productos EliteSiC MOSFET es bastante diversa, contando con líneas de productos de grado automotriz (número de parte iniciando con "NV") y grado industrial (número de parte iniciando con "NT"), con diversas especificaciones para satisfacer diferentes requisitos de aplicación. Los productos de grado automotriz cumplen con el estándar automotriz AEC-Q101 y pueden usarse en convertidores DC/DC automotrices, corrección de factor de potencia (PFC) automotriz, y los productos finales comunes incluyen cargadores a bordo para automóviles, convertidores DC/DC automotrices para vehículos eléctricos (EV) y vehículos eléctricos híbridos enchufables (PHEV). Los productos de grado industrial son sometidos a pruebas de avalancha al 100% y pueden ser utilizados en aplicaciones industriales, con productos finales como sistemas de alimentación ininterrumpida/sistemas de almacenamiento de energía, cargadores solares y de vehículos eléctricos, y más. Para cumplir con la propuesta de valor de soluciones industriales verdes, los productos de onsemi están diseñados con topologías y configuraciones optimizadas para aplicaciones. También cuentan con diseños de pines optimizados y layouts de cobre conectado directamente (DBC), junto con una combinación integral de dispositivos de silicio (Si) y carburo de silicio (SiC). Esto, combinado con una amplia gama de opciones de empaque, asegura flexibilidad en la fabricación. onsemi ofrece un portafolio completo de productos MOSFET SiC, cubriendo soluciones para carga rápida DC de vehículos eléctricos, así como productos modulares que soportan rangos de potencia de 40 kW a 75 kW. La empresa está a la vanguardia en varios formatos, incluyendo dies sin encapsular, MOSFETs discretos, módulos innovadores y topologías de última generación. Además, onsemi planea lanzar placas de evaluación de dispositivos discretos SiC y placas de evaluación de módulos SiC en el primer trimestre de 2024, con el objetivo de ofrecer a los clientes el soporte técnico y servicios más completos.
Conclusión
La energía verde se ha convertido en el camino que la humanidad debe seguir para el desarrollo sostenible. Ya sea en la vida cotidiana o en las necesidades energéticas industriales, la transición hacia la electrificación de la energía es esencial. Debido al consumo significativamente más alto de electricidad en la industria en comparación con la vida diaria, la adopción de soluciones industriales verdes contribuirá de manera significativa al objetivo de la energía sostenible. onsemi ha introducido un portafolio completo de productos SiC e IGBT aplicables a diversos productos de energía, proporcionando mayor eficiencia en la conversión de energía y siendo una de las mejores opciones para productos y aplicaciones relacionados.
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