¿Qué nuevas demandas plantea el auge de las energías renovables para los diodos de alto-voltaje?

 

1, Avance de los parámetros técnicos: de kilovoltios a decenas de miles de voltios

Los diodos de alto voltaje-tradicionales se utilizan principalmente en convertidores de frecuencia industriales, transporte ferroviario y otros campos, con voltajes de operación concentrados principalmente en el rango de 600 V-1700 V. Sin embargo, con la expansión de la integración de la red de energía renovable, el sistema eléctrico ha planteado nuevos requisitos para el nivel de tensión soportada de los diodos de alto voltaje:

Salto de tensión en el sistema de transmisión de CC.

En los sistemas de captación de plantas de energía fotovoltaica y parques eólicos, la tecnología de captación de CC se está generalizando. Tomando como ejemplo la base fotovoltaica de Talatan en la provincia de Qinghai, la línea de transmisión de corriente continua de voltaje ultra- de ultra alto voltaje de ± 800 kV utilizada requiere que el diodo resista un voltaje pico inverso superior a 10 kV. El diodo de carburo de silicio (SiC) de estructura vertical desarrollado por Taiji Semiconductor ha alcanzado un nivel de voltaje soportado de 12 kV mediante grabado en zanja profunda y tecnología de crecimiento epitaxial, y el tiempo de recuperación inversa se ha reducido a 50 nanosegundos, que es un 80 % más alto que el de los dispositivos tradicionales basados ​​en silicio-.

Adaptación ambiental extrema de la energía eólica marina

La plataforma flotante de energía eólica marina establece estándares estrictos para la resistencia a la niebla salina y a la corrosión de los diodos. El diodo de alto voltaje-encapsulado en metal desarrollado por Weihai Huajie Electronics adopta tecnología de sustrato cerámico y extinción de arco de hidrógeno, y aún puede funcionar de manera estable en ambientes con 95 % de humedad y 5 % de concentración de niebla salina. Su vida útil ha superado las 200.000 horas y se ha convertido en el componente designado para el inversor de turbina eólica marina de 15 MW de Dongfang Electric.

Gestión de carga y descarga del sistema de almacenamiento de energía.

En el sistema de almacenamiento de energía de Ningde Times, el diodo de equilibrio debe resistir el impacto transitorio de alto voltaje durante la carga y descarga del paquete de baterías. El diodo regulador de voltaje de 5,1 V utilizado reduce la carga de recuperación inversa (Qrr) a un-tercio de la de los dispositivos tradicionales mediante tecnología de dopaje con oro, lo que extiende la vida útil de la batería en un 20 % y aumenta la eficiencia del equilibrio al 99,5 %.

2. Ampliación profunda de los escenarios de aplicación: de la función única a la integración del sistema

Las características de fluctuación de la energía renovable impulsan la evolución de los diodos de alto-voltaje desde funciones de rectificación tradicionales hasta soluciones a nivel de sistema:

La revolución de la eficiencia de los inversores fotovoltaicos

En el inversor de la serie Huawei SUN2000-50KTL-H1, el diodo de recuperación ultrarrápida MUR1680CT (trr=80ns) se utiliza en antiparalelo con IGBT, lo que reduce las pérdidas de conmutación en un 40 %. En condiciones de carga ligera, sus características de recuperación suave suprimen eficazmente los picos de voltaje, lo que aumenta la eficiencia Euro al 98,7%, 1,2 puntos porcentuales más que las soluciones tradicionales.

Actualización de confiabilidad del convertidor de energía eólica

El diodo Schottky de SiC utilizado en la turbina eólica de 2,5 MW de Goldwind Technology mantiene características estables en el rango de temperatura de -40 grados a 150 grados, y la caída de voltaje de conducción (VF) muestra un coeficiente de temperatura negativo al aumentar la temperatura, evitando el riesgo de falla causada por el sobrecalentamiento local durante el uso en paralelo. Este dispositivo ha permitido que el MTBF (tiempo medio entre fallos) del inversor supere las 200.000 horas y ha reducido la tasa de fallo anual por debajo del 0,3%.

Apoyo clave para la cadena industrial de la energía del hidrógeno

En el sistema de producción de hidrógeno por electrólisis, los diodos de alto-voltaje deben resistir las fluctuaciones de voltaje causadas por los frecuentes arranques y paradas de la celda de electrólisis. El TVS (diodo supresor de voltaje transitorio) desarrollado por Silan Microelectronics tiene una precisión de voltaje de sujeción de ± 1 % y un tiempo de respuesta de menos de 1 picosegundo, lo que protege eficazmente los componentes del electrodo de membrana de las celdas de electrólisis PEM y mantiene la eficiencia del sistema de producción de hidrógeno en más del 78 %.

3. El cambio de paradigma de la innovación de materiales: del silicio-a la banda prohibida amplia

La búsqueda definitiva de la eficiencia energética en los sistemas de energía renovable impulsa la iteración acelerada de sistemas de materiales de diodos de alto-voltaje

Aplicación a gran escala de carburo de silicio (SiC)

Infineon CoolSiC ™ El diodo de la serie 1200 V tiene un tiempo de recuperación inversa de solo 35 nanosegundos a una temperatura de unión de 25 grados y tiene una característica de coeficiente de temperatura positivo, lo que facilita su expansión en paralelo. En la estación de supercarga Tesla V3, este dispositivo aumenta la densidad de potencia del módulo de carga de 350 kW a 5 kW/in³, con una eficiencia de carga del 99,2 %, que es 1,5 puntos porcentuales mayor que la solución basada en silicio-.

Avance de RF del nitruro de galio (GaN)

En el sistema de suministro de energía fotovoltaica de las estaciones base 5G, el transistor de alta movilidad de electrones (HEMT) GaN de Wolfspeed integra diodos para lograr la rectificación de la señal en la banda de frecuencia de 24 GHz-52 GHz, reduciendo el consumo de energía en un 30 % en comparación con los dispositivos de silicio. Esta tecnología aumenta la generación de energía diaria del sistema de suministro de energía solar para estaciones base en un 18% y reduce las emisiones de dióxido de carbono en más de 2 toneladas al año.

Exploración de fronteras del óxido de galio (Ga ₂ O ∝)

El diodo basado en Ga ₂ O3 desarrollado por el Instituto de Investigación de Tecnología de Fluidos Fluorados de Japón tiene una intensidad de campo de ruptura de 8 MV/cm, que es más de 10 veces mayor que la del silicio. Aunque todavía se encuentra en la etapa de laboratorio, su nivel de voltaje soportado teórico puede exceder los 10 kV, lo que se espera que proporcione una solución disruptiva para la futura transmisión de corriente continua de voltaje ultra-alto.

4, Reestructuración y desafíos del patrón de mercado

El crecimiento explosivo de la energía renovable está cambiando la ecología del mercado de los diodos de alto-voltaje:

Cambios estructurales por el lado de la demanda

Según las previsiones de Yole Dévelopment, se espera que el mercado mundial de diodos de alto-voltaje alcance los 4500 millones de dólares en 2027, y que la energía renovable represente más del 40%. Como mercado fotovoltaico más grande del mundo, se espera que la demanda de diodos de alto-voltaje de China supere los 8 mil millones para 2025, lo que impulsará a empresas locales como Silan Microelectronics y Huatian Technology a ocupar más del 60% de la participación de mercado.

Competencia tecnológica del lado de la oferta

Gigantes internacionales como Texas Instruments e Infineon están acelerando el diseño de las líneas de producción de SiC, mientras que los fabricantes chinos están logrando adelantar curvas a través de modelos de integración vertical. Por ejemplo, Sanan Optoelectronics ha construido una fábrica de obleas de SiC de 6-pulgadas con una producción mensual de 50.000 piezas, y su tasa de rendimiento de diodos de alto voltaje es del 95%, con un costo un 20% menor que el de sus pares internacionales.

El riesgo de retraso del sistema estándar

El estándar IEC 60747 actual todavía utiliza dispositivos basados ​​en silicio-como punto de referencia, y existen diferencias significativas en parámetros como el coeficiente de expansión térmica y la tensión del embalaje de materiales de banda prohibida amplia. La industria necesita urgentemente establecer-estándares de prueba de diodos de alto voltaje para nuevos materiales como SiC y GaN para evitar riesgos de calidad causados ​​por la falta de estándares.