Il carburo di silicio introduce le alternative ecologiche in un ciclo virtuoso
La coscienza verde e le normative che guidano il mercato dei veicoli elettrici hanno alimentato l'innovazione nella tecnologia delle batterie e nel design basato sul carburo di silicio per trasformare la generazione di energia verde. La necessità dell'espansione dell'energia rinnovabile è ora critica. L'aumento della variabilità climatica, i problemi a breve termine nella catena di approvvigionamento dei combustibili fossili e le risorse limitate a lungo termine dei combustibili fossili di fronte a una domanda energetica sempre crescente hanno spostato l'equilibrio a favore delle fonti di energia verde regionali. Aumentare significativamente il ritorno sugli investimenti (ROI) nell'energia rinnovabile, in particolare solare e eolica, significa aumentare l'efficienza, la capacità, la densità di potenza e la convenienza economica dei sistemi di accumulo di energia (ESS). E sono ora disponibili soluzioni per aiutare a raggiungere tutti questi obiettivi grazie alle innovazioni nella tecnologia delle batterie e nei dispositivi al carburo di silicio accelerate dal crescente mercato dei veicoli elettrici (EV).
Il sole splende sul successo solare
L'International Energy Agency (IEA) stima che la capacità rinnovabile aumenterà dell'8% per superare i 300 GW nel 2022. A guidare la rinascita delle energie rinnovabili, secondo l'agenzia, è il solare fotovoltaico, che rappresenterà il 60% di questa crescita nella capacità globale delle energie rinnovabili. 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 allo stesso tempo un costo inferiore rispetto ai combustibili fossili — e a un ritmo più rapido rispetto all'energia eolica e idroelettrica. I governi a livello globale stanno sostenendo questo attraverso incentivi commerciali e supporto normativo.
- La caratteristica intermittente della generazione di energia da vento e solare, aggravata dalla variabilità climatica, può essere mitigata con l'aggiunta di ESS. I miglioramenti nella tecnologia delle batterie stanno offrendo un'espansione della capacità e costi più bassi, mentre il design basato su Silicon Carbide sta rendendo questi sistemi più efficienti.
- Un vantaggio fondamentale del solare fotovoltaico è la sua ampia scalabilità, da pochi kilowatt nelle applicazioni residenziali a megawatt nelle fattorie solari su scala di utility. A differenza dell'eolico e dell'idroelettrico, che sono più fattibili a potenze molto elevate e con investimenti su scala di utility costosi, il solare si adatta a un insieme diversificato di configurazioni di sistema.
Panoramica del sistema da pannello a ESS
Le architetture solari generalmente si dividono in tre configurazioni. A livello residenziale, i microinverter supportano blocchi di 1-4 pannelli. Gli inverter di stringa aggregano cluster di pannelli da pochi kilowatt fino a circa 50 kW. Da 50 kW a 200 kW, le stringhe vengono integrate per servire installazioni commerciali e industriali. Le installazioni su scala di utilità nell'intervallo di megawatt hanno utilizzato grandi sistemi centralizzati, ma ora scelgono spesso topologie distribuite basate su stringhe per ridurre tempi e costi di installazione, nonché l'impatto dei guasti puntuali e i costi di manutenzione complessivi.
Il massimo inseguitore di punto di potenza (MPPT), che è un circuito di boost DC-DC, prende la tensione variabile dall'array dei pannelli e offre una tensione costante più alta al bus interno (Figura 1). La corrente continua più stabile viene quindi convertita in corrente alternata standard di rete dall'inverter. Nelle implementazioni ESS, un circuito buck-boost DC-DC bidirezionale agisce come caricatore della batteria. Se l'ESS deve essere caricato dalla rete, anche l'inverter deve essere bidirezionale.
Una panoramica del sistema pannello-rete
Figura 1
Potenziale della tecnologia al carburo di silicio
Silicon Carbide si adatta perfettamente a questa applicazione, dalle configurazioni basse da 1 kW a quelle superiori a 1 MW nel boost/MPPT DC-DC, nell'inverter bidirezionale o nel front end attivo (AFE) e nel DC-DC bidirezionale nel circuito di carica/scarica dell'ESS. Inoltre, offre numerosi vantaggi rispetto al Silicon:
- 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% in più di densità di potenza (3X più piccolo, 10X più leggero)
- Componenti passivi e dissipatori di calore più piccoli
- Riduci i costi totali del sistema BOM
Sebbene i diodi Schottky al Carburo di Silicio siano stati a lungo utilizzati nel circuito di boost MPPT per aumentare l'efficienza, ora c'è una più ampia adozione di implementazioni complete al Carburo di Silicio con MOSFET. Ad esempio, il design di riferimento del convertitore boost a 4 canali e 15 kW CRD-60DD12N di Wolfspeed offre un'efficienza energetica del 99,5% e una commutazione a 78 kHz. Rispetto a quanto ottenibile con il Silicio, questo design fornisce un'efficienza energetica superiore dell'1-2% o circa il 70% di riduzione delle perdite, una densità di potenza 3X e una riduzione del peso 10X. Tutte queste prestazioni a un costo di implementazione del sistema inferiore.
Il Carburo di Silicio ha un impatto simile sulla sezione AFE. Una realizzazione a sei interruttori IGBT al Silicio è comunemente utilizzata per il suo costo relativamente basso e la semplicità (Figura 2). Tuttavia, la sua frequenza di commutazione è limitata a un massimo di circa 20 kHz e, a livelli di potenza elevati, significativamente inferiore a tale valore. Le topologie a più livelli che utilizzano dispositivi al Silicio Super Junction (SJ) permettono ai progettisti di raggiungere i livelli di tensione elevati necessari con una commutazione ad alta frequenza e una buona efficienza del sistema, ma solo a scapito di un controllo complesso e di un numero di componenti significativamente maggiore e costi di BOM dovuti all'aggiunta di ulteriori interruttori e relativi driver di dispositivi. Questo è stato dimostrato dal progetto di riferimento CRD25AD12N-FMC da 22 kW AFE di Wolfspeed.
Il carburo di silicio consente un design AFE più semplice, con maggiore efficienza e a costi inferiori.
Figura 2
Nello spazio ESS, il mercato EV ha influenzato la tendenza dello stoccaggio delle batterie consentendo l'uso di pacchi batterie da 200V e potenzialmente spostandosi verso 800-1000 V. Queste alte tensioni richiedono dispositivi ad alta tensione nel convertitore DC-DC bidirezionale. I progettisti hanno spesso utilizzato comuni dispositivi 650 V SJ in topologie risonanti complesse e multilivello dove il Silicio ha un limite di commutazione tra 80 kHz e 120 kHz. Invece, implementazioni più semplici in Carburo di Silicio puro, come il caricatore bidirezionale DC-DC da 22 kW CRD-22DD12N, possono raggiungere frequenze risonanti di circa 200 kHz con un minor numero di componenti e un costo complessivo del sistema inferiore.
La combinazione dell'AFE bidirezionale basato su Carburo di Silicio e del caricabatterie DC-DC offre diversi vantaggi a livello di sistema:
- Perdite energetiche ridotte del 40% che a loro volta permettono
- 2% di miglioramento nell'efficienza a livello di sistema
- 50% migliore densità di potenza
- Fino al 18% di costo del sistema inferiore
Futuro costruito con carburo di silicio ad alta potenza
Diversi trend chiave a breve termine sono supportati dai sistemi a base di carburo di silicio. Il mondo solare si sta spostando verso un bus da 1500 V, che richiede dispositivi da 2 kV o una complessa topologia multistadio. Nell'area degli inverter centrali, saranno necessari dispositivi e moduli di potenza di medio-alta tensione nella gamma di 2 kV o superiore.
Il Carburo di Silicio fornirà un interruttore unipolare, contrariamente agli interruttori bipolari negli inverter centrali odierni, offrendo gli stessi vantaggi in termini di efficienza, peso, dimensioni e costo. La nuova tecnologia avrà anche un impatto su nuovi segmenti, inclusi i trasformatori a stato solido, l'energia eolica e la trazione.
Pur essendoci una grande varietà di dispositivi discreti al Carburo di Silicio e moduli di potenza disponibili per soddisfare le esigenze attuali, Wolfspeed continua la sua tradizione di investire in R&D per introdurre nuovi prodotti sul mercato per soddisfare queste esigenze future.
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