Que novas demandas o aumento da energia renovável representa para diodos de alta-tensão?

 

1, Avanço de parâmetros técnicos: de quilovolts a dezenas de milhares de volts

Os diodos tradicionais de alta-tensão são usados ​​principalmente em conversores de frequência industriais, transporte ferroviário e outros campos, com tensões operacionais concentradas principalmente na faixa de 600V-1700V. No entanto, com a expansão da integração da rede de energia renovável, o sistema de energia apresentou novos requisitos para o nível de tensão suportável dos diodos de alta tensão:

Salto de tensão no sistema de transmissão DC

Nos sistemas de coleta de usinas fotovoltaicas e parques eólicos, a tecnologia de coleta CC está se tornando popular. Tomando como exemplo a Base Fotovoltaica de Talatan, na província de Qinghai, a linha de transmissão de corrente contínua de ultra-tensão de ± 800kV usada exige que o diodo suporte uma tensão de pico reversa superior a 10kV. O diodo de carboneto de silício (SiC) de estrutura vertical desenvolvido pela Taiji Semiconductor alcançou um nível de tensão suportável de 12 kV por meio de gravação profunda em trincheiras e tecnologia de crescimento epitaxial, e o tempo de recuperação reversa foi reduzido para 50 nanossegundos, o que é 80% maior do que os dispositivos tradicionais-baseados em silício.

Adaptação ambiental extrema da energia eólica offshore

A plataforma flutuante de energia eólica offshore estabelece padrões rígidos para a névoa salina e a resistência à corrosão dos diodos. O diodo de alta-tensão encapsulado em metal desenvolvido pela Weihai Huajie Electronics adota extinção de arco de hidrogênio e tecnologia de substrato cerâmico e ainda pode operar de forma estável em ambientes com 95% de umidade e 5% de concentração de névoa salina. Sua vida útil ultrapassou 200.000 horas e tornou-se o componente designado para o inversor de turbina eólica offshore de 15 MW da Dongfang Electric.

Gerenciamento de carga e descarga do sistema de armazenamento de energia

No sistema de armazenamento de energia do Ningde Times, o diodo de balanceamento precisa suportar o impacto transitório de alta tensão durante a carga e descarga da bateria. O diodo regulador de tensão de 5,1 V usado reduz a carga de recuperação reversa (Qrr) para um-terço da dos dispositivos tradicionais por meio da tecnologia de dopagem de ouro, prolongando a vida útil da bateria em 20% e aumentando a eficiência de equilíbrio para 99,5%.

2, Expansão profunda dos cenários de aplicativos: da função única à integração do sistema

As características de flutuação da energia renovável impulsionam a evolução dos diodos de alta-tensão, desde funções de retificação tradicionais até soluções em nível de sistema:

A revolução da eficiência dos inversores fotovoltaicos

No inversor da série Huawei SUN2000-50KTL-H1, o diodo de recuperação ultrarrápida MUR1680CT (trr=80ns) é usado em antiparalelo com IGBT, reduzindo as perdas de comutação em 40%. Em condições de carga leve, as suas características de recuperação suave suprimem eficazmente os picos de tensão, aumentando a Eficiência Euro para 98,7%, o que é 1,2 pontos percentuais superior às soluções tradicionais.

Atualização de confiabilidade do conversor de energia eólica

O diodo SiC Schottky usado na turbina eólica de 2,5 MW da Goldwind Technology mantém características estáveis ​​na faixa de temperatura de -40 graus a 150 graus, e a queda de tensão de condução (VF) mostra um coeficiente de temperatura negativo com o aumento da temperatura, evitando o risco de falha causada por superaquecimento local durante o uso paralelo. Este dispositivo permitiu que o MTBF (tempo médio entre falhas) do inversor excedesse 200.000 horas e reduziu a taxa anual de falhas para menos de 0,3%.

Apoio fundamental para a cadeia da indústria energética do hidrogénio

No sistema de produção de hidrogênio por eletrólise, os diodos de alta-tensão precisam suportar flutuações de tensão causadas pela parada frequente da célula de eletrólise. O TVS (Diodo de Supressão de Tensão Transiente) desenvolvido pela Silan Microelectronics tem uma precisão de tensão de fixação de ± 1% e um tempo de resposta inferior a 1 picossegundo, protegendo efetivamente os componentes do eletrodo de membrana das células de eletrólise PEM e mantendo a eficiência do sistema de produção de hidrogênio em mais de 78%.

3, A mudança de paradigma da inovação de materiais: do silício-baseado para o wide bandgap

A busca definitiva pela eficiência energética em sistemas de energia renovável impulsiona a iteração acelerada de sistemas de materiais de diodo de alta-tensão

Aplicação em larga escala de carboneto de silício (SiC)

Infineon CoolSiC ™ O diodo da série 1200V tem um tempo de recuperação reversa de apenas 35 nanossegundos a uma temperatura de junção de 25 graus e possui uma característica de coeficiente de temperatura positivo, facilitando a expansão em paralelo. Na Estação de Supercharging Tesla V3, este dispositivo aumenta a densidade de potência do módulo de carregamento de 350 kW para 5 kW/in³, com uma eficiência de carregamento de 99,2%, 1,5 pontos percentuais superior à solução baseada em silício.

Avanço de RF do nitreto de gálio (GaN)

No sistema de fornecimento de energia fotovoltaica de estações base 5G, o transistor de alta mobilidade eletrônica (HEMT) GaN da Wolfspeed integra diodos para obter retificação de sinal na banda de frequência de 24 GHz a 52 GHz, reduzindo o consumo de energia em 30% em comparação com dispositivos de silício. Esta tecnologia aumenta em 18% a geração diária de energia do sistema de fornecimento de energia solar para estações base e reduz as emissões de dióxido de carbono em mais de 2 toneladas anualmente.

Exploração de fronteira de óxido de gálio (Ga ₂ O ∝)

O diodo baseado em Ga ₂ O3 desenvolvido pelo Instituto de Pesquisa de Tecnologia de Fluidos Fluorados do Japão tem uma intensidade de campo de ruptura de 8MV/cm, que é mais de 10 vezes maior que a do silício. Embora ainda esteja em fase de laboratório, seu nível teórico de tensão suportável pode exceder 10kV, o que deverá fornecer uma solução disruptiva para futuras transmissões de corrente contínua em ultra-alta tensão.

4, Reestruturação e Desafios do Padrão de Mercado

O crescimento explosivo da energia renovável está remodelando a ecologia do mercado de diodos de alta-tensão:

Mudanças estruturais do lado da procura

De acordo com a previsão da Yole Dé evelopment, o mercado global de diodos de alta-tensão deverá atingir US$ 4,5 bilhões até 2027, com a energia renovável respondendo por mais de 40%. Sendo o maior mercado fotovoltaico do mundo, espera-se que a procura da China por díodos de alta{5}}tensão exceda os 8 mil milhões até 2025, levando empresas locais como a Silan Microelectronics e a Huatian Technology a ocupar mais de 60% da quota de mercado.

Competição tecnológica do lado da oferta

Gigantes internacionais como Texas Instruments e Infineon estão acelerando o layout das linhas de produção de SiC, enquanto os fabricantes chineses estão conseguindo ultrapassar curvas através de modelos de integração vertical. Por exemplo, a Sanan Optoelectronics construiu uma fábrica de wafer SiC de 6- polegadas com uma produção mensal de 50.000 peças, e sua taxa de rendimento de diodo de alta tensão é de 95%, com um custo 20% menor que seus pares internacionais.

O risco de atraso do sistema padrão

O padrão IEC 60747 atual ainda usa dispositivos-baseados em silício como referência, e há diferenças significativas em parâmetros como coeficiente de expansão térmica e tensão de empacotamento de materiais com banda larga. A indústria precisa estabelecer urgentemente padrões de teste de diodos de alta-tensão para novos materiais, como SiC e GaN, para evitar riscos de qualidade causados ​​pela falta de padrões.