Il carburo di silicio sta trasformando i sistemi energetici

Il carburo di silicio (SiC) è diventato essenziale in tutti i settori industriali per migliorare l'efficienza e sostenere la decarbonizzazione. Consente di creare sistemi di alimentazione avanzati, in grado di soddisfare la crescente domanda globale di energia rinnovabile, veicoli elettrici (EV), data center e infrastrutture di rete. La tecnologia SiC presenta numerosi vantaggi rispetto ai dispositivi tradizionali al silicio, soprattutto per quanto riguarda l'efficienza di conversione della potenza e le situazioni termosensibili. Il suo impatto complessivo nei settori dell'elettronica e dell'energia può portare a una maggiore redditività e sostenibilità.

Gli esperti di due aziende leader nel settore dei semiconduttori - Michael Williams, direttore di marketing per l'industria e le infrastrutture per Infineon Technologies e Shawn Luke, ingegnere di marketing tecnico per DigiKey - condividono il loro pensiero su come la tecnologia SiC abbia avuto un impatto sul mercato e su cosa abbia in serbo per il futuro.

Nuove tendenze nel consumo energetico

"In passato, la maggior parte del consumo energetico era legata a qualche tipo di controllo motore, come le applicazioni di automazione industriale e le fabbriche, il trasporto su rotaia, la movimentazione di pompe per il trattamento delle acque reflue o di fluidi come l'olio negli oleodotti", ha dichiarato Williams. "Con l'introduzione del carburo di silicio, il mercato si è orientato verso l'efficienza, consentendo di ridurre le perdite di energia in vari stadi di conversione e supportando le applicazioni esigenti".

Questo cambiamento si è concentrato sulla decarbonizzazione e sullo sviluppo di nuove generazioni di tecnologie rinnovabili, tra cui sistemi di energia rinnovabile, infrastrutture EV e data center. Ha altresì migliorato l'efficienza della conversione di potenza dal 95% circa al 98,5%, un cambiamento significativo che ha abbassato le perdite di energia e ha ridotto la generazione di calore e i requisiti di raffreddamento.

Infrastruttura di rete

Il semplice trasferimento di energia dalla rete o da una linea elettrica ad alta tensione in un data center può comportare una perdita di energia pari al 5-6% durante il passaggio attraverso diversi strati di conversione. Si stima che i soli data center rappresentino oggi il 3% del consumo energetico globale e si prevede che saliranno al 4% entro il 2030 (Data Centre Magazine, 2022), senza alcuna previsione di rallentamento. Il SiC entra in gioco per l'infrastruttura di alimentazione dei data center, per l'efficienza e il costo del sistema nell'immagazzinaggio dell'energia su scala di rete e negli inverter degli impianti solari. La soluzione combinata consente ai futuri data center di lavorare in un ambiente di microrete, riducendo il carico sulla rete elettrica, già sottoposta a forti pressioni.

"Con l'elettrificazione delle automobili, stiamo notando molti progetti di riferimento con ricarica bidirezionale ed elettronica di potenza avanzata, il che significa che si caricano durante le ore non di punta e reintroducono l'energia nella rete per le ore di punta", ha affermato Luke.

Il SiC, in quanto tecnologia ad ampio bandgap, supporta una gestione della tensione più elevata e velocità di commutazione superiori in applicazioni come la ricarica EV. Ciò ha consentito una completa trasformazione dell'infrastruttura di rete globale, riducendo al contempo la complessità del sistema e i costi complessivi.

Progettare con la tecnologia SiC

La tecnologia SiC risponde bene al problema dell'efficienza, ma a volte i progettisti hanno bisogno di un prodotto di dimensioni compatte, per cui si utilizzano dispositivi ad ampio bandgap (WBG) o al silicio (Si).

"Un progettista ha tre tecnologie tra cui scegliere, ma ha anche tre domande fondamentali da porsi prima di mettersi al lavoro: Il mio prodotto dovrà essere economico, compatto o efficiente?", spiega Williams. "La scelta di due di queste priorità consente al progettista di scegliere le soluzioni Si. Tuttavia, progettare con tutti e tre questi fattori richiede dispositivi ad ampio bandgap. Il fattore chiave per i prodotti compatti è l'aumento della frequenza di commutazione per ridurre le dimensioni dei magneti e della capacità del sistema".

Grazie alla capacità WBG della tecnologia SiC, i livelli di tensione possono essere più elevati, e ciò ha dato vita all'implementazione della tecnologia di prossima generazione. La sfida è che il SiC è un materiale complesso da lavorare, dato che è un materiale di base molto più rigido del silicio tradizionale.

I cicli di alimentazione sono un fattore chiave nello sviluppo dei contenitori, in quanto mettono a dura prova l'interconnessione tra il die SiC e il suo leadframe o substrato, portando potenzialmente a un guasto prematuro del dispositivo. Lo sviluppo di nuove tecnologie di interconnessione per migliorare le prestazioni dei cicli di potenza dei futuri dispositivi SiC è importante per soddisfare i futuri requisiti di una rete decarbonizzata.

"Le applicazioni oggi utilizzano cicli di potenza molto più elevati rispetto alle applicazioni di azionamento a motore del passato", ha affermato Williams. "Infineon si è concentrata sullo sviluppo della nostra tecnologia .XT, una tecnologia di interconnessione avanzata che si è dimostrata in grado di aumentare le prestazioni dei cicli di potenza di oltre 22 volte rispetto alle tecniche standard. Questo sviluppo tecnologico offre una maggiore densità di potenza, migliori prestazioni termiche e la massima durata del sistema, permettendo il passaggio a un maggior numero di fonti di energia rinnovabile".

Innovazioni del mercato della conversione di potenza

Un'area che entusiasma i nostri due esperti è la decarbonizzazione della rete, che comporta la transizione dalle centrali elettriche a combustibili fossili (come carbone e petrolio).

"La decarbonizzazione può avvenire sia a livello macro (aziende), dove le compagnie elettriche passano all'eolico, al solare e all'idroelettrico, sia a livello micro (consumatori), con i veicoli elettrici e simili", ha affermato Luke. "I fattori abilitanti come il SiC ci stanno aiutando ad avvicinarci alle microreti più che mai, localizzando le fonti di energia per ridurre la conversione e le perdite, a favore della decarbonizzazione".

Un'altra innovazione che, a loro avviso, avrà un forte impatto sul settore energetico è l'implementazione di trasformatori a stato solido. Questi possono migliorare notevolmente l'infrastruttura della rete elettrica, riducendo le dimensioni, i tempi di installazione e la complessità complessiva della struttura. L'impiego di trasformatori a stato solido consente di realizzare sistemi modulari ad alta tensione e soluzioni di microrete, che portano a una distribuzione dell'energia elettrica più sostenibile.

Che cosa ha in serbo il futuro?

Con la costante introduzione di nuove tecnologie, si prevede che il SiC avrà un ruolo duraturo.

"Gli esperti di Infineon prevedono che i dispositivi per la commutazione di potenza al silicio continueranno a dominare il mercato per il resto del decennio", ha dichiarato Williams. "Abbiamo una posizione unica sul mercato, in quanto offriamo tutte e tre le tecnologie di commutazione: silicio, carburo di silicio e nitruro di gallio e non vediamo alcuna minaccia da parte dei dispositivi di potenza ad ampio bandgap sulle dimensioni del mercato totale".

Aziende come Infineon stanno investendo per scalare la produzione e aumentare la capacità di sviluppare soluzioni che migliorino l'efficienza energetica riducendo il costo della tecnologia SiC. All'orizzonte si profilano innovazioni come le microreti modulari, le reti c.c. distribuite e i reattori a fusione. Il SiC è al centro di questi progressi.

Grazie a una solida partnership con il distributore globale DigiKey e alla rapida implementazione di nuove tecnologie attraverso un modello di distribuzione senza quantità di ordinazione minime e all'alta disponibilità dei prodotti, progettisti e ingegneri sono ben posizionati per affrontare tutto ciò che verrà. Per ulteriori informazioni sulle soluzioni di alimentazione, visitare digikey.it.