Introduzione al silicio carburo (SIC) e ai suoi vantaggi dell'applicazione negli inverter ibridi

In base allo sfondo della transizione energetica e al rapido sviluppo della tecnologia di elettronica di potenza, gli inverter ibridi, in quanto dispositivo di conversione di potenza efficiente e flessibile, sono ampiamente utilizzati in campi come l'accesso a energia distribuita, i sistemi di accumulo di energia e i veicoli elettrici. L'introduzione dei dispositivi di carburo di silicio (SIC) ha apportato modifiche rivoluzionarie al miglioramento delle prestazioni degli inverter ibridi. Questo articolo fornirà un'introduzione dettagliata alle caratteristiche dei dispositivi SIC e ai loro vantaggi negli inverter ibridi.

1. Caratteristiche e vantaggi dei dispositivi SIC

（1） Caratteristiche del materiale

Il carburo di silicio (SIC) è un ampio materiale a semiconduttore a banda con un gap di banda di circa 3,26 volt di elettroni, molto più alto dei 1,12 volt di elettroni del silicio tradizionale (SI). Questa caratteristica consente ai dispositivi SIC di operare stabilmente in ambienti ad alta temperatura, alta tensione e ad alta frequenza. Inoltre, i materiali SIC hanno anche i seguenti vantaggi:

Elevata resistenza al campo elettrico di rottura: la resistenza al campo elettrico di rottura di SIC è circa 10 volte quella del silicio, circa 3 mV/cm. Ciò significa che alla stessa tensione, i dispositivi SIC possono avere strati di deriva più sottili, riducendo così la resistenza.

• Alta conduttività termica: la conduttività termica di SIC è circa tre volte quella del silicio, circa 4,9 W/cm · K. Ciò consente ai dispositivi SIC di dissipare il calore in modo più efficace in condizioni di densità elevata.

• Velocità di deriva della saturazione elettronica elevata: la velocità di deriva della saturazione dell'elettrone di SIC è di circa 2 × 10 ⁷ cm/s, rendendola significativamente vantaggiosa nelle applicazioni ad alta frequenza.

Figura 1: confronto delle proprietà del materiale tra SIC e SI

（2） Tipo di dispositivo

I dispositivi di potenza SiC comuni includono:

MOSFET SIC (Transistor Effetto del campo a semiconduttore di ossido di metallo): con bassa resistenza e velocità di commutazione rapida, è ampiamente utilizzato nella conversione della potenza e nella guida del motore.

SIC SBD (diodo della barriera Schottky): con una caduta di tensione in avanti inferiore e resistenza a tensione inversa più elevata, è adatto per applicazioni ad alta frequenza e ad alta temperatura.

SIC JFET (transistor a effetto campo di giunzione): utilizzato principalmente per applicazioni ad alta frequenza e ad alta potenza, con alta tensione di rottura e capacità di commutazione ad alta velocità.

SIC IGBT (transistor bipolare isolato gate): sebbene ancora nella fase di ricerca e sviluppo, la sua potenziale elevata efficienza e alta densità di potenza lo fanno avere ampie prospettive nei campi dei veicoli elettrici e delle energie rinnovabili.

Figura 2: dispositivi SIC principali

（3） Vantaggi dell'applicazione

I dispositivi SIC presentano vantaggi significativi nei sistemi di elettronica di potenza:

• Alta efficienza: i dispositivi SIC hanno una conduzione inferiore e perdite di commutazione durante il processo di commutazione e confrontati con i tradizionali dispositivi di silicio, hanno vantaggi significativi nell'efficienza di conversione della potenza. Ad esempio, l'uso di dispositivi SIC nel sistema di azionamento e le stazioni di ricarica dei veicoli elettrici possono migliorare significativamente l'efficienza complessiva di utilizzo dell'energia.

Stabilità ad alta temperatura: i materiali SIC possono comunque mantenere buone proprietà elettriche ad alte temperature, con alta conducibilità termica che può dissipare efficacemente il calore in applicazioni ad alta potenza.

Caratteristiche ad alta frequenza: i dispositivi SIC possono funzionare a frequenze più elevate e sono adatti per alimentatori di commutazione ad alta frequenza e applicazioni RF. Le caratteristiche ad alta frequenza non solo aiutano a ridurre le dimensioni e il peso dell'alimentazione, ma migliorano anche l'efficienza complessiva del sistema.

• Ambiente ambientale: la stabilità chimica e la resistenza alla corrosione dei materiali SIC li rendono bene in ambienti difficili e meno suscettibili all'ossidazione e all'inquinamento ambientale.

2. Vantaggi dei dispositivi SIC negli inverter ibridi

（1） frequenza di commutazione elevata e bassa perdita di commutazione

Le caratteristiche di frequenza di commutazione elevate dei dispositivi SIC consentono agli inverter ibridi di utilizzare componenti passivi più piccoli come induttori e condensatori, riducendo significativamente le dimensioni e il peso dell'inverter e migliorando la densità di potenza. Allo stesso tempo, i dispositivi SIC generano perdite estremamente basse durante il processo di commutazione, il che migliora notevolmente l'efficienza degli inverter ibridi durante il funzionamento ad alta frequenza, riduce le perdite durante la conversione dell'energia e migliora l'efficienza energetica complessiva del sistema.

Figura 3: rispetto a IGBT (in alto), il MOSFET SIC (in basso) può ridurre le perdite di commutazione di oltre il 70% a una frequenza di commutazione di 30 kHz. (Fonte immagine: tecnologia Microchip)

（2） Abilità lavorativa ad alta temperatura e vantaggi di dissipazione del calore

I dispositivi SIC possono funzionare stabilmente a temperature più elevate, con un intervallo di temperatura operativo molto più ampio rispetto ai tradizionali dispositivi a base di silicio. Ciò consente all'inverter ibrido di operare stabilmente in ambienti ad alta temperatura, riducendo la dipendenza da sistemi di raffreddamento complessi. In alcuni scenari di applicazione compatti e spaziali limitati, come piccoli inverter nelle apparecchiature di automazione industriale, l'utilizzo di dispositivi SIC può semplificare la progettazione della dissipazione del calore, ridurre i costi di dissipazione del calore e migliorare l'affidabilità del sistema.

（3） La capacità di resistenza e affidabilità del sistema ad alta tensione

I dispositivi SIC hanno un'eccellente tolleranza ad alta tensione e possono funzionare in modo sicuro e stabilmente in ambienti ad alta tensione. Negli inverter ibridi, ciò significa che è possibile utilizzare tensioni di bus CC più elevate per ridurre i livelli di corrente, ridurre al minimo le perdite di filo e ridurre l'interferenza elettromagnetica. La capacità di resistenza ad alta tensione consente inoltre agli inverter ibridi di adattarsi meglio a sistemi di alimentazione di diversi livelli di tensione, migliorando la compatibilità e la flessibilità del sistema.

Figura 4: confronto delle prestazioni di resistenza alla tensione tra dispositivi SI e SIC

（4） Risposta dinamica e prestazioni di controllo migliorate

Le caratteristiche di commutazione rapida dei dispositivi SIC migliorano notevolmente la velocità di risposta dinamica degli inverter ibridi. Quando si affrontano improvvisi cambiamenti di carico o fluttuazioni della griglia, gli inverter possono regolare la loro uscita più rapidamente per mantenere il funzionamento stabile del sistema di alimentazione. La capacità di risposta dinamica rapida è particolarmente importante per la connessione della rete dell'energia distribuita, come nei sistemi di energia rinnovabile come la fotovoltaico solare e l'energia eolica, che possono effettivamente ridurre le fluttuazioni di potenza causate da cambiamenti meteorologici o fluttuazioni di carico e migliorare la qualità della potenza.

（5） Adattabilità ambientale ed espansione dell'applicazione

La resistenza ad alta temperatura, la resistenza ad alta pressione e l'elevata affidabilità dei dispositivi SIC li rendono più adattabili ad ambienti difficili. Dopo aver adottato dispositivi SIC, gli inverter ibridi possono operare stabilmente in una gamma più ampia di temperature, umidità e ambienti elettromagnetici, espandendo i loro scenari di applicazione. Ad esempio, in ambienti industriali con alta temperatura e umidità, o in condizioni naturali dure come aree remote e energia eolica offshore, gli inverter ibridi che utilizzano dispositivi SIC possono soddisfare meglio le esigenze di conversione di potenza in ambienti speciali.

Figura 5: Inverter ibrido utilizzando la tecnologia SIC

3. Riepilogo

I dispositivi SIC hanno offerto vantaggi significativi al miglioramento delle prestazioni degli inverter ibridi grazie alle loro eccellenti proprietà del materiale, ad alta efficienza, stabilità ad alta temperatura e caratteristiche ad alta frequenza. Dal miglioramento dell'efficienza e dalla riduzione del volume al miglioramento dell'affidabilità e dell'adattabilità, i dispositivi SIC hanno migliorato in modo completo le prestazioni degli inverter ibridi. Con il continuo avanzamento della tecnologia di produzione dei dispositivi SIC e la graduale riduzione dei costi, le sue prospettive di applicazione nel campo degli inverter ibridi saranno ancora più ampi, il che dovrebbe promuovere l'ulteriore sviluppo della tecnologia elettronica di energia in molti settori come la nuova energia, i veicoli elettrici e l'automazione industriale, fornendo un forte supporto per l'accusa di efficienza, affidabile e di conversazione verde e utilizzo. Gli invertitori ibridi della serie SIC di InventronCis usano ampiamente dispositivi SIC, con eccellenti progetti e prodotti affidabili che coprono intervalli di potenza da 3kW a 20kW. Sono una scelta ideale per sistemi di stoccaggio ottico industriale e commerciale residenziale e su piccola scala.