Karbid křemíku (SiC) se stal základním kamenem pro zvýšení účinnosti a podporu dekarbonizace v různých průmyslových odvětvích. Jedná se o prostředek pro pokročilé energetické systémy, který řeší rostoucí globální požadavky v oblasti obnovitelných zdrojů energie, elektrických vozidel (EV), datových center a síťové infrastruktury. Technologie SiC má oproti tradičním křemíkovým zařízením výhody, zejména v účinnosti přeměny energie a tepelně citlivých situacích. Její celkový dopad v elektronickém a energetickém průmyslu může vést k vyšší ziskovosti a udržitelnosti.

Měnící se spotřeba energie

„V minulosti byla většina spotřeby energie spojena s určitým typem řízení motorů obvyklým například v aplikacích průmyslové automatizace a v továrnách, v železniční dopravě, u pohyblivých čerpadel na čištění odpadních vod nebo u kapalin jako je ropa v potrubí,“ řekl Williams. „Se zavedením karbidu křemíku došlo na trhu k posunu směrem k efektivitě, což umožňuje snížení energetických ztrát v několika fázích přeměny a podporuje aplikace s vysokou poptávkou.“
Tento posun se zaměřil na dekarbonizaci a vývoj nových generací obnovitelných technologií, včetně systémů obnovitelné energie, infrastruktury pro elektromobily a datových center. Zlepšila se také účinnost přeměny energie z přibližně 95 % na 98,5 %, což je významný posun, který snížil energetické ztráty, produkci tepla a minimalizoval požadavky na chlazení.

Síťová infrastruktura

Samotný přenos energie ze sítě nebo vysokonapěťového vedení do datového centra může mít za následek 5-6% energetické ztráty vlivem průchodu několika vrstvami konverze. Odhaduje se, že samotná datová centra se dnes podílejí 3 % na celosvětové spotřebě energie a do roku 2030 se předpokládá nárůst na 4 % (Data Centre Magazine, 2022), přičemž zpomalení tohoto podílu se neočekává. Do hry v oblasti energetické infrastruktury datových center vstupuje technologie SiC, která zvyšuje účinnost a systémové náklady v síťových úložištích energie a centrálních solárních střídačích. Kombinované řešení umožňuje budoucím datovým centrům pracovat v prostředí mikrosítě, čímž se snižuje zátěž již tak napjaté rozvodné sítě v USA.

„S elektrifikací automobilů přichází mnoho referenčních návrhů s obousměrným nabíjením a pokročilou výkonovou elektronikou, což znamená, že jejich nabíjení probíhá v době mimo špičku a ve špičce vracejí energii zpět do sítě,“ řekl Luke. SiC jako technologie se širokým zakázaným pásem podporuje zpracování vyšších napětí a vyšší spínací rychlost v aplikacích, jako je nabíjení elektromobilů. Toto řešení umožnilo kompletní transformaci globální síťové infrastruktury při současném snížení složitosti systému a celkových nákladů.

Projektování s technologií SiC

Ačkoli technologie SiC dobře řeší efektivitu, jsou situace, kdy konstruktér potřebuje malý výrobek, a tehdy se používají součásti se širokým zakázaným pásmem (WBG) nebo křemíkové (Si) součásti. 

„Stejně jako má konstruktér k dispozicí výběr ze tří technologií, musí se též rozhodnout mezi třemi základní konstrukční kritérii. Navrhnu svůj produkt tak, aby byl nákladově efektivní, kompaktní, nebo účinný?“ vysvětluje Williams. „Výběr libovolných dvou z těchto priorit umožňuje konstruktérovi zvolit odpovídající SiC řešení. Návrh zohledňující všechna tato kritéria však vyžaduje použití součástí se širokým zakázaným pásem. Klíčovým faktorem pro kompaktní produkty je zvýšení spínací frekvence vedoucí ke snížení velikosti magnetů a kapacity v systému.“

Vlastnost širokého zakázaného pásu (WBG) technologie SiC dovoluje pracovat s vyššími úrovněmi napětí, což otevřelo cestu další generaci implementace této technologie. Problém spočívá v tom, že práce s technologií SiC je složitá, neboť se jedná o základní materiál s výrazně vyšší tuhostí než tradiční křemík. 
Klíčovým faktorem při vývoji pouzdra jsou výkonové cykly, které zatěžují propojení mezi matricí SiC a jejím montážním rámečkem nebo substrátem, což může vést k předčasné poruše zařízení. Při řešení budoucích požadavků dekarbonizované sítě je důležitý vývoj nových propojovacích technologií pro zlepšení výkonu cyklování energie budoucích SiC zařízení. 

„Aplikace nyní využívají mnohem vyšší výkonové cykly než aplikace s motorovým pohonem v minulosti," řekl Williams. „Společnost Infineon se zaměřila na vývoj naší technologie .XT, což je pokročilá propojovací technologie prokazatelně zvyšující efektivitu výkonových cyklů: >22krát oproti standardním metodám měkkého pájení. Tento technologický vývoj umožňuje vyšší výkonovou hustotu, lepší tepelný výkon a maximální životnost systému, což podporuje přechod na více obnovitelných zdrojů energie.”

Inovace trhu s přeměnou energie

Jednou z oblastí, kterou tito odborníci s nadšením sledují, je dekarbonizace sítě, která zahrnuje odklon od elektráren na fosilní paliva (např. uhlí a ropu).
„Dekarbonizace může probíhat jak na makroúrovni díky změnám, které energetické společnosti provádějí v rámci přechodu na větrnou, solární a vodní energii, tak na i úrovni spotřebitelů prostřednictvím elektrických vozidel a podobných zařízení,” řekl Luke. „Nástroje, jako je technologie SiC, nám pomáhají přiblížit se mikrosítím více než kdykoli dříve, lokalizovat zdroje energie pro snížení počtu konverzí a ztrát, což napomáhá dekarbonizaci.”

Další novinkou, která má podle nich silný dopad na energetický sektor, je implementace polovodičových transformátorů. Tato zařízení mohou výrazně zlepšit infrastrukturu energetické sítě, snížit velikost, dobu instalace a celkovou složitost místa provozu rozvodné sítě. Instalace polovodičových transformátorů umožňuje využívání modulárních vysokonapěťových systémů a mikrosíťových řešení, což vede k udržitelnější distribuci energie.

Co bude dál?

S neustálým zaváděním nových technologií se předpokládá, že technologie SiC bude mít trvalou pozici. 
„Odborníci společnosti Infineon předpovídají, že křemíková výkonová spínací zařízení budou na trhu dominovat i po zbytek desetiletí,” řekl Williams. „Díky tomu, že nabízíme všechny tři spínací technologie - křemík, karbid křemíku a nitrid galia - máme jedinečnou pozici na trhu a nevidíme žádnou hrozbu ze strany výkonových zařízení se širokým zakázaným pásem, která by snižovala celkovou velikost trhu.“

Společnosti jako Infineon investují do rozšiřování výroby za účelem zvýšení kapacity a vyvíjejí řešení, která zlepšují energetickou účinnost a zároveň snižují náklady na technologii SiC. Na obzoru jsou inovace, jako jsou modulární mikrosítě, distribuované stejnosměrné sítě a fúzní reaktory, jejichž jádrem je technologie SiC. 
Díky silnému partnerství s globálním distributorem, společností DigiKey, a rychlému zavádění nových technologií prostřednictvím distribučního modelu bez minimálních objednávek a s vysokou dostupností jsou konstruktéři a inženýři dobře připraveni na vše, co bude následovat. Další informace o řešeních napájení naleznete na webových stránkách DigiKey.com.