El carburo de silicio impulsa las alternativas ecológicas en un ciclo virtuoso
La conciencia ecológica y las regulaciones que impulsan el mercado de vehículos eléctricos 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 expandir la energía renovable es ahora crítica. La creciente variabilidad climática, los problemas inmediatos en la cadena de suministro de combustibles fósiles, así como los limitados recursos de combustibles fósiles a largo plazo enfrentando una demanda de energía en constante crecimiento, han inclinado la balanza a favor de las fuentes de energía verde regionales. Aumentar significativamente el retorno de la 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 están disponibles soluciones para ayudar a alcanzar todos esos objetivos gracias a las innovaciones en la tecnología de baterías y los dispositivos de carburo de silicio acelerados por el creciente mercado de vehículos eléctricos (EV).
El sol brilla sobre el éxito solar
La Agencia Internacional de Energía (IEA) estima que la capacidad renovable aumentará un 8% para cruzar los 300 GW en 2022. Liderando el renacimiento renovable, según la agencia, está la energía solar fotovoltaica, que representará el 60% de este crecimiento en la capacidad renovable global. Detrás de este crecimiento hay varias razones, incluida la resolución progresiva de algunos de los desafíos.
- Los paneles solares y los equipos electrónicos asociados se han vuelto más eficientes, mientras que también han logrado un costo más bajo en relación con los combustibles fósiles, y a un ritmo más rápido que el viento y el hidroeléctrico. Los gobiernos de todo el mundo están construyendo sobre esto a través de incentivos comerciales y apoyo regulatorio.
- La característica intermitencia de la generación de energía a partir de la eólica y solar, agravada por la variabilidad climática, puede mitigarse con la adición de ESS. Las mejoras en la tecnología de baterías están ofreciendo expansión de capacidad y menores costos, mientras que el diseño basado en Carburo de Silicio está haciendo estos sistemas más eficientes.
- Una ventaja clave de la energía solar fotovoltaica es su amplia escalabilidad, desde unos pocos kilovatios en aplicaciones residenciales hasta megavatios en centrales solares a escala de servicios públicos. A diferencia del viento y la hidroelectricidad, que son más viables a muy alta potencia y con inversiones costosas a escala de servicios públicos, la solar se adapta a un conjunto diverso de configuraciones de sistemas.
Descripción general del sistema Panel a ESS
Las arquitecturas solares generalmente se dividen en tres configuraciones. A nivel residencial, los microinversores soportan bloques de 1 a 4 paneles. Los inversores de cuerda agrupan conjuntos de paneles desde unos pocos kilovatios hasta alrededor de 50 kW. De 50 kW a 200 kW, las cuerdas se integran para servir instalaciones comerciales e industriales. Las instalaciones a escala de servicios públicos en el rango de megavatios han utilizado sistemas grandes centralizados, pero ahora a menudo eligen topologías distribuidas basadas en cuerdas para reducir el tiempo y costo de instalación, así como el impacto de fallas puntuales y el costo general de mantenimiento.
El rastreador 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 más alto constante al bus interno (Figura 1). El DC más estable se convierte luego en AC estándar de red por el inversor. En implementaciones ESS, un circuito bidireccional DC-DC buck-boost actúa como cargador de batería. Si el ESS necesita cargarse desde la red, el inversor también debe ser bidireccional.
Una visión general del sistema panel a red
Figura 1
Impulso de la tecnología de Carburo de Silicio
El carburo de silicio se adapta a esta aplicación desde configuraciones bajas de 1 kW hasta más de 1 MW en el boost/MPPT DC-DC, el inversor bidireccional o la interfaz activa (AFE), y el DC-DC bidireccional en el circuito de carga/descarga de ESS. Y 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% menores pérdidas
- Hasta un 50% más de densidad de potencia (3X más pequeño, 10X más ligero)
- Pasivos y disipadores más pequeños
- Reducir los costos totales del sistema BOM
Aunque los diodos Schottky de Carburo de Silicio se han utilizado durante mucho tiempo en el circuito de aumento MPPT para aumentar 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 15 kW por 4 canales CRD-60DD12N de Wolfspeed ofrece un 99.5% de eficiencia energética y conmutación a 78 kHz. En comparación con lo que se puede lograr con Silicio, este diseño ofrece un 1-2% más de eficiencia energética o una reducción de aproximadamente el 70% en pérdidas, 3 veces más densidad de potencia y una reducción de 10 veces en peso. Todo ese rendimiento a un menor coste 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 por 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 por debajo de eso. Las topologías multinivel que utilizan dispositivos Super Junction (SJ) de Silicio permiten a los diseñadores alcanzar los niveles de voltaje alto necesarios con conmutación de alta frecuencia y buena eficiencia del sistema, pero solo a expensas de un control complejo y un conteo de partes y costo de BOM significativamente más altos impulsados por interruptores adicionales, así como controladores de dispositivos asociados. Esto ha sido demostrado por el diseño de referencia AFE CRD25AD12N-FMC de 22 kW 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 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 voltajes altos requieren dispositivos de alto voltaje en el convertidor bidireccional DC-DC. Los diseñadores a menudo han utilizado dispositivos comunes de 650 V SJ en topologías resonantes complejas y multinivel, donde el silicio ha limitado el cambio a entre 80 kHz y 120 kHz. En cambio, implementaciones más simples de carburo de silicio completo, como el cargador bidireccional DC-DC CRD-22DD12N de 22 kW, pueden lograr frecuencias resonantes de aproximadamente 200 kHz con un menor número de componentes y un costo total del sistema más bajo.
La combinación del AFE bidireccional y el cargador DC-DC basado en carburo de silicio 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% de costo del sistema más bajo
Futuro construido con carburo de silicio de alta potencia
Varios tendencias clave a corto plazo están respaldadas por sistemas basados en Carburo de Silicio. El mundo solar se está moviendo hacia un bus de 1500 V, lo que requiere dispositivos de 2 kV o una topología multinivel complicada. En el área del inversor central, se requerirán dispositivos y módulos de potencia de voltaje medio a alto en el rango de 2 kV o superior.
El carburo de silicio brindará un interruptor unipolar en lugar de los interruptores bipolares en los inversores centrales actuales, aportando las mismas ventajas de eficiencia, peso, tamaño y costo. La nueva tecnología también impactará en nuevos segmentos, incluidos los transformadores de estado sólido, la energía eólica y la tracción.
Si bien hay una gran variedad de dispositivos discretos de carburo de silicio y módulos de potencia disponibles para cubrir las necesidades actuales, Wolfspeed continúa su tradición de invertir en I+D para lanzar nuevos productos al mercado y satisfacer estos requisitos futuros.
Servicios de Programación de Dispositivos
Ofreciendo servicios de programación de dispositivos de calidad a gran escala.
Etiquetas de artículo
