Węglik krzemu (SiC) nabrał fundamentalnego znaczenia dla zwiększania sprawności i wspierania dekarbonizacji w wielu branżach. Umożliwia on tworzenie zaawansowanych systemów energetycznych, odpowiadając na rosnące globalne zapotrzebowanie w dziedzinach energii odnawialnych, pojazdów elektrycznych, ośrodków przetwarzania danych oraz infrastruktury sieciowej. Technologia SiC ma przewagę nad tradycyjnymi urządzeniami krzemowymi, zwłaszcza w zakresie sprawności konwersji mocy i w sytuacjach, w których kluczowym czynnikiem jest temperatura. Jej ogólny wpływ na branżę elektroniczną i energetyczną pozwala zwiększyć rentowność i wspierać zrównoważony rozwój.

Servers in Data Center

Eksperci z dwóch wiodących w branży firm produkujących półprzewodniki – Michael Williams, dyrektor ds. marketingu przemysłowego i infrastrukturalnego w firmie Infineon Technologies, oraz Shawn Luke, inżynier ds. marketingu technicznego w DigiKey – dzielą się swoimi przemyśleniami na temat przyszłości technologii SiC oraz jej wpływu na rynek.

Zmiany w zużyciu energii

– W przeszłości większość zużywanej energii wiązała się ze sterowaniem silnikami, np. w zastosowaniach automatyki przemysłowej, fabrykach, transporcie kolejowym, napędach pomp do oczyszczania ścieków lub transportowaniu płynów, takich jak ropa naftowa, za pomocą rurociągów. Wraz z wprowadzeniem węgliku krzemu nastąpiła zmiana w kierunku zwiększania sprawności na platformie handlowej Marketplace. Pozwoliło to na redukcję strat energii na różnych etapach konwersji, co stworzyło warunki dla zastosowań z dużym zapotrzebowaniem na energię – stwierdził Williams.

Zmiana ta koncentrowała się na dekarbonizacji oraz rozwoju nowych generacji technologii odnawialnych, w tym systemów energii odnawialnej, infrastruktury pojazdów elektrycznych oraz ośrodków przetwarzania danych. Przyczyniła się również do zwiększenia sprawności konwersji mocy z około 95% do 98,5%, co pozwoliło na obniżenie strat energii, ograniczenie wytwarzania ciepła oraz minimalizację zapotrzebowania na chłodzenie.

Infrastruktura sieci energetycznych

Samo przesyłanie energii z sieci lub linii wysokiego napięcia do ośrodka przetwarzania danych może powodować straty energii rzędu 5-6%, ponieważ energia przechodzi przez kilka etapów konwersji. Szacuje się, że same ośrodki przetwarzania danych zużywają obecnie 3% energii na całym świecie, a do 2030 roku ten odsetek ma wzrosnąć do 4% (Data Centre Magazine, 2022), przy czym nie oczekuje się, że tempo to spadnie. Węglik krzemu (SiC) odgrywa istotną rolę w infrastrukturze zasilania ośrodków przetwarzania danych, zwiększając sprawność oraz obniżając koszty systemu w zakresie magazynowania energii na poziomie sieci oraz centralnych falowników solarnych. Połączone rozwiązanie umożliwia przyszłym ośrodkom przetwarzania danych działanie w środowisku mikrosieci, zmniejszając obciążenie już przeciążonej sieci energetycznej w USA.

– Wraz z elektryfikacją samochodów pojawia się wiele projektów referencyjnych z funkcją ładowania dwukierunkowego i zaawansowaną energoelektroniką, co oznacza, że samochody są ładowane poza szczytem i oddają energię do sieci w godzinach szczytu – powiedział Luke.

Podstacja transformatorowa wysokiego napięcia

Węglik krzemu (SiC), jako technologia o szerokiej przerwie energetycznej, umożliwia obsługę wyższych napięć oraz szybsze przełączanie w takich zastosowaniach jak ładowanie pojazdów elektrycznych. Pozwoliło to na całkowitą transformację globalnej infrastruktury sieciowej przy jednoczesnym zmniejszeniu złożoności systemów i ogólnych kosztów.

Projektowanie z wykorzystaniem technologii SiC

Technologia SiC zapewnia wysoką sprawność, jednakże zdarzają się sytuacje, w których projektant potrzebuje małego produktu. W takich przypadkach stosuje się urządzenia o szerokiej przerwie energetycznej (WBG) lub krzemowe (Si).

–Projektant ma do wyboru nie tylko trzy technologie, ale także trzy podstawowe kryteria projektowe: czy produkt ma być ekonomicznie efektywny, kompaktowy, czy wydajny? Wybierając dowolne dwa kryteria, projektant może zdecydować się na rozwiązania oparte na technologii krzemowej (Si). Jednak spełnienie wszystkich trzech wymaga zastosowania urządzeń o szerokiej przerwie energetycznej. Kluczowym czynnikiem przy projektowaniu kompaktowych produktów jest zwiększenie częstotliwości przełączania, co pozwala zmniejszyć rozmiary komponentów magnetycznych i pojemności w systemie – wyjaśnił Williams.

Dzięki możliwościom, jakie zapewnia szeroka przerwa energetyczna (WBG) w technologii SiC, poziomy napięcia mogą być wyższe, co umożliwiło wdrożenie technologii nowej generacji. Wyzwanie polega na tym, że SiC jest złożonym materiałem, który jest trudny w obróbce, ponieważ jest znacznie sztywniejszy od tradycyjnego krzemu.

Cykliczne przełączanie mocy ma kluczowe znaczenie podczas opracowywania obudów, ponieważ powoduje odkształcenia w połączeniu między strukturą SiC a jego ramką wyprowadzeniową lub podłożem, co może prowadzić do przedwczesnej awarii urządzenia. Opracowanie nowych technologii połączeń, w celu poprawy parametrów działania przyszłych urządzeń SiC, w przypadku cyklicznego przełączania mocy jest kluczowe dla spełnienia przyszłych wymagań zdekarbonizowanej sieci.

– Współczesne zastosowania napędów silnikowych wykorzystują znacznie większe liczby przełączeń mocy niż w przeszłości. Firma Infineon skoncentrowała się na opracowywaniu zaawansowanej technologii połączeń .XT, która poprawia parametry działania w przypadku cyklicznego przełączania mocy ponad 22 razy w porównaniu do standardowych technik lutowania miękkiego. Rozwój tej technologii pozwala osiągnąć wyższą gęstość mocy i lepsze parametry termiczne oraz umożliwia maksymalne wydłużenie okresu użytkowania systemu, zwiększając wykorzystanie odnawialnych źródeł energii – powiedział Williams.

Innowacje na rynku konwersji mocy

Jednym z obszarów, który wzbudza entuzjazm wśród ekspertów, jest dekarbonizacja sieci energetycznej, czyli odchodzenie od elektrowni opartych na paliwach kopalnych (takich jak węgiel i ropa naftowa).

– Dekarbonizacja może zachodzić zarówno na poziomie makro, wraz ze zmianami wprowadzanymi przez firmy energetyczne przechodzące na energię wiatrową, słoneczną i wodną, jak i na poziomie konsumenckim na przykład za sprawą pojazdów elektrycznych. Czynniki umożliwiające ten proces, takie jak węglik krzemu (SiC), przybliżają nas do mikrosieci bardziej niż kiedykolwiek. Umieszczenie źródeł energii bliżej odbiorców zmniejsza potrzebę konwersji i ogranicza straty, co wspiera proces dekarbonizacji – oznajmił Luke.

Serwerownia komputerowa

Kolejną innowacją, która według nich ma znaczący wpływ na sektor energetyczny, jest wdrożenie transformatorów półprzewodnikowych. Mogą one znacznie udoskonalić infrastrukturę sieci energetycznej, zmniejszając rozmiary, czas instalacji oraz ogólną złożoność obiektów użyteczności publicznej. Zastosowanie transformatorów półprzewodnikowych pozwala na tworzenie modułowych systemów wysokiego napięcia i rozwiązań opartych na mikrosieciach, co przyczynia się do bardziej zrównoważonego rozdziału zasilania.

Co dalej?

Przewiduje się, że w obliczu dynamicznego rozwoju nowych technologii węglik krzemu (SiC) utrzyma swoją silną pozycję.

– Eksperci firmy Infineon przewidują, że krzemowe przełączniki mocy będą nadal dominować na rynku przez resztę dekady. Mamy unikalną pozycję na rynku, oferując wszystkie trzy technologie przełączania: krzem, węglik krzemu i azotek galu. Uważamy, że nie ma zagrożenia, by urządzenia mocy o szerokiej przerwie energetycznej wpłynęły na zmniejszenie ogólnej wielkości rynku – stwierdził Williams.

Firmy inwestują w skalowanie produkcji w celu zwiększenia mocy wytwórczych oraz opracowują rozwiązania poprawiające sprawność energetyczną przy jednoczesnym obniżeniu kosztów technologii SiC. Na horyzoncie pojawiają się innowacje, takie jak modułowe mikrosieci, rozproszone sieci prądu stałego i reaktory fuzyjne, a w ich centrum znajduje się SiC.

Autorzy: Michael Williams, dyrektor ds. marketingu przemysłowego i infrastrukturalnego w firmie Infineon Technologies AG oraz Shawn Luke, inżynier ds. marketingu technicznego w firmie DigiKey