Quali nuove esigenze comporta la crescita delle energie rinnovabili per i diodi ad alta-tensione?

 

1, Innovazione dei parametri tecnici: da kilovolt a decine di migliaia di volt

I tradizionali diodi ad alta-tensione vengono utilizzati principalmente nei convertitori di frequenza industriali, nel trasporto ferroviario e in altri campi, con tensioni operative concentrate per lo più nell'intervallo 600 V-1700 V. Tuttavia, con l’espansione dell’integrazione della rete di energia rinnovabile, il sistema energetico ha presentato nuovi requisiti per il livello di tensione di resistenza dei diodi ad alta tensione:

Salto di tensione nel sistema di trasmissione DC

Nei sistemi di raccolta degli impianti fotovoltaici e dei parchi eolici, la tecnologia di raccolta in corrente continua sta diventando mainstream. Prendendo come esempio la base fotovoltaica di Talatan nella provincia del Qinghai, la linea di trasmissione in corrente continua ad altissima tensione da ± 800 kV-utilizzata richiede che il diodo resista a una tensione di picco inversa superiore a 10 kV. Il diodo al carburo di silicio (SiC) a struttura verticale sviluppato da Taiji Semiconductor ha raggiunto un livello di tensione di tenuta di 12 kV attraverso la tecnologia di incisione profonda e di crescita epitassiale, e il tempo di recupero inverso è stato ridotto a 50 nanosecondi, ovvero superiore dell'80% rispetto ai tradizionali dispositivi basati su silicio-.

Adattamento ambientale estremo dell’energia eolica offshore

La piattaforma eolica galleggiante offshore stabilisce standard rigorosi per la resistenza alla nebbia salina e alla corrosione dei diodi. Il diodo ad alta tensione-incapsulato in metallo sviluppato da Weihai Huajie Electronics adotta la tecnologia di estinzione dell'arco di idrogeno e del substrato ceramico e può comunque funzionare stabilmente in ambienti con umidità del 95% e concentrazione di nebbia salina del 5%. La sua durata ha superato le 200.000 ore ed è diventato il componente designato per l'inverter per turbine eoliche offshore da 15 MW di Dongfang Electric.

Gestione della carica e della scarica del sistema di accumulo dell'energia

Nel sistema di accumulo dell'energia di Ningde Times, il diodo di bilanciamento deve resistere all'impatto transitorio dell'alta tensione durante la carica e la scarica del pacco batteria. Il diodo regolatore di tensione da 5,1 V utilizzato riduce la carica di recupero inverso (Qrr) a un-terzo di quella dei dispositivi tradizionali attraverso la tecnologia del doping con oro, estendendo la durata della batteria del 20% e aumentando l'efficienza di equilibrio al 99,5%.

2, Profonda espansione degli scenari applicativi: dalla singola funzione all'integrazione di sistema

Le caratteristiche di fluttuazione dell'energia rinnovabile guidano l'evoluzione dei diodi ad alta-tensione dalle tradizionali funzioni di rettifica alle soluzioni a livello di sistema:

La rivoluzione dell’efficienza degli inverter fotovoltaici

Nell'inverter della serie Huawei SUN2000-50KTL-H1, il diodo a recupero ultra rapido MUR1680CT (trr=80ns) viene utilizzato in antiparallelo con IGBT, riducendo le perdite di commutazione del 40%. In condizioni di carico leggero, le sue caratteristiche di recupero graduale sopprimono efficacemente i picchi di tensione, aumentando l'efficienza Euro al 98,7%, ovvero 1,2 punti percentuali in più rispetto alle soluzioni tradizionali.

Aggiornamento dell'affidabilità del convertitore di energia eolica

Il diodo Schottky SiC utilizzato nella turbina eolica da 2,5 MW di Goldwind Technology mantiene caratteristiche stabili nell'intervallo di temperatura compreso tra -40 gradi e 150 gradi e la caduta di tensione di conduzione (VF) mostra un coefficiente di temperatura negativo con l'aumento della temperatura, evitando il rischio di guasti causati dal surriscaldamento locale durante l'uso in parallelo. Questo dispositivo ha consentito al MTBF (tempo medio tra guasti) dell'inverter di superare le 200.000 ore e di ridurre il tasso di guasto annuo al di sotto dello 0,3%.

Supporto chiave per la filiera dell’energia dell’idrogeno

Nel sistema di produzione dell'idrogeno per elettrolisi, i diodi ad alta-tensione devono resistere alle fluttuazioni di tensione causate dai frequenti arresti di avvio della cella di elettrolisi. Il TVS (Diodo di soppressione della tensione transitoria) sviluppato da Silan Microelectronics ha una precisione della tensione di bloccaggio di ± 1% e un tempo di risposta inferiore a 1 picosecondo, proteggendo efficacemente i componenti degli elettrodi a membrana delle celle di elettrolisi PEM e mantenendo l'efficienza del sistema di produzione di idrogeno oltre il 78%.

3, Il cambio di paradigma dell'innovazione dei materiali: dal silicio-all'ampio gap di banda

La ricerca definitiva dell'efficienza energetica nei sistemi di energia rinnovabile guida l'iterazione accelerata dei sistemi di materiali a diodi ad alta-tensione

Applicazione su larga scala del carburo di silicio (SiC)

Infineon CoolSiC ™ Il diodo della serie 1200V ha un tempo di recupero inverso di soli 35 nanosecondi a una temperatura di giunzione di 25 gradi e ha un coefficiente di temperatura positivo caratteristico, che ne facilita l'espansione in parallelo. Nella stazione di sovralimentazione Tesla V3, questo dispositivo aumenta la densità di potenza del modulo di ricarica da 350 kW a 5 kW/in ³, con un'efficienza di ricarica del 99,2%, ovvero 1,5 punti percentuali in più rispetto alla soluzione basata su silicio-.

La svolta RF del nitruro di gallio (GaN)

Nel sistema di alimentazione fotovoltaico delle stazioni base 5G, il transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) GaN di Wolfspeed integra diodi per ottenere la rettifica del segnale nella banda di frequenza 24GHz-52GHz, riducendo il consumo energetico del 30% rispetto ai dispositivi al silicio. Questa tecnologia aumenta del 18% la produzione giornaliera di energia del sistema di alimentazione solare per le stazioni base e riduce le emissioni di anidride carbonica di oltre 2 tonnellate all'anno.

Esplorazione di frontiera dell'ossido di gallio (Ga ₂ O ∝)

Il diodo a base Ga₂O3 sviluppato dal Japan Fluorinated Fluid Technology Research Institute ha un'intensità di campo di rottura di 8 MV/cm, ovvero oltre 10 volte quella del silicio. Sebbene sia ancora in fase di laboratorio, il suo livello teorico di tensione di resistenza può superare i 10 kV, il che dovrebbe fornire una soluzione dirompente per la futura trasmissione di corrente continua a tensione ultra-alta.

4, Ristrutturazione e sfide del modello di mercato

La crescita esplosiva delle energie rinnovabili sta rimodellando l'ecologia del mercato dei diodi ad alta-tensione:

Cambiamenti strutturali dal lato della domanda

Secondo le previsioni di Yole D évelopment, il mercato globale dei diodi ad alta-tensione dovrebbe raggiungere i 4,5 miliardi di dollari entro il 2027, di cui l'energia rinnovabile rappresenterà oltre il 40%. Essendo il mercato fotovoltaico più grande al mondo, si prevede che la domanda cinese di diodi ad alta tensione superi gli 8 miliardi entro il 2025, spingendo imprese locali come Silan Microelectronics e Huatian Technology a occupare oltre il 60% della quota di mercato.

Concorrenza tecnologica dal lato dell’offerta

Colossi internazionali come Texas Instruments e Infineon stanno accelerando la configurazione delle linee di produzione del SiC, mentre i produttori cinesi stanno ottenendo il superamento della curva attraverso modelli di integrazione verticale. Ad esempio, Sanan Optoelectronics ha costruito una fabbrica di wafer SiC da 6- pollici con una produzione mensile di 50.000 pezzi e il tasso di rendimento dei diodi ad alta tensione è del 95%, con un costo inferiore del 20% rispetto ai concorrenti internazionali.

Il rischio di ritardo del sistema standard

L'attuale standard IEC 60747 utilizza ancora dispositivi basati su silicio-come punto di riferimento e ci sono differenze significative in parametri come il coefficiente di espansione termica e lo stress di imballaggio dei materiali con ampio gap di banda. Il settore ha urgentemente bisogno di stabilire standard di test dei diodi ad alta-tensione per nuovi materiali come SiC e GaN per evitare rischi di qualità causati dalla mancanza di standard.