Para reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera, es necesario abandonar el uso de plantas de energía térmica y cambiar a energía ecológica. Dicha transición no se puede hacer de inmediato, primero debe aumentar la eficiencia del uso de la electricidad ya generada, para reducir sus pérdidas durante el transporte al consumidor y la conversión a varias formas. Un elemento clave para resolver estos problemas es la electrónica de potencia y los dispositivos semiconductores de potencia.
Dado que las soluciones para la energía son uno de los segmentos más importantes de nuestro negocio, consideramos importante hablar sobre cómo nuestro trabajo ayuda a hacer el mundo más limpio. En particular, los semiconductores de energía que fabricamos pueden ahorrar significativamente electricidad y, como resultado, abandonar la construcción de plantas de energía dañinas para el medio ambiente. Veamos cómo los semiconductores de potencia difieren de los ordinarios y descubramos cuáles son sus propiedades para ahorrar electricidad y reducir las emisiones de CO2.
Características de los dispositivos semiconductores de potencia.
Si no profundiza en la teoría, los dispositivos semiconductores de potencia son los mismos diodos, transistores y tiristores, modificados teniendo en cuenta el alcance de su aplicación. A diferencia de los dispositivos microelectrónicos, los semiconductores de potencia se utilizan a corrientes de decenas, cientos y miles de amperios, voltajes de cientos de megavoltios. Dichas cargas requieren soluciones de diseño específicas para eliminar la ruptura de la unión pn.
Por ejemplo, la base de un potente
diodo de potencia es una placa delgada de cristal único de silicio en el que se forma una unión pn. Para evitar que la placa se agriete debido al calentamiento, se suelda con soldadura de plata a discos termocompensadores de tungsteno o molibdeno de hasta 3 mm de espesor. El "emparedado" resultante se coloca en una carcasa sellada de un diseño de pasador o tableta.
Diseño de diodo pin. Fuente
El elemento principal para convertir electricidad de alta potencia (decenas de megavoltios y más) es un
tiristor de alto voltaje . Estructuralmente, consta de cuatro capas de silicio con conductividad alterna, en cuyo límite se forman tres uniones pn. Dos transiciones extremas son el ánodo y el cátodo, y la del medio es la de control.
El tiristor tiene dos estados estables: "abierto" (flujos de corriente) y "cerrado" (sin corriente). El estado cambia bajo la influencia del voltaje en el electrodo de control. El cambio en sí ocurre muy rápidamente, aunque no al instante. En circuitos de voltaje alterno, el tiristor pasará solo una media onda, la superior. Cuando llega la media onda inferior, se restablece al estado "cerrado". Esta propiedad del tiristor se usa para cambiar las fuentes de alimentación para convertir una sinusoide en pulsos.
Sobre la base de tiristores, los convertidores de servicio pesado se crean en líneas de energía de corriente continua (líneas de energía), insertos de CC entre sistemas de energía, compensadores de energía reactiva estática en líneas de energía de corriente alterna.
El dispositivo de un tiristor de alto voltaje. Fuente
Los principales consumidores de electricidad operan con capacidades inferiores a los megawolts. El elemento de potencia más común para este rango es el
transistor de campo bipolar, el transistor bipolar de puerta aislada, IGBT. IGBT es un circuito integrado de energía de muchas celdas elementales. Cada celda consta de un transistor bipolar de alto voltaje con un transistor de efecto de campo incluido en el circuito de control. Ventajas de IGBT: pequeño consumo de energía en el circuito de control para encendido y apagado y alta velocidad.
Para construir convertidores de baja potencia, se utilizan
transistores MOS , transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal, MOSFET. Estos dispositivos también se fabrican en forma de circuito integrado de potencia que contiene cientos de miles de celdas de transistores. El voltaje de funcionamiento para los circuitos MOS, por regla general, es inferior a 500 V, la corriente de funcionamiento es de hasta cientos de amperios.
Dónde y por qué se utilizan dispositivos semiconductores
Instalaciones industriales
Debido a su economía, capacidad de control y alta eficiencia, los dispositivos semiconductores de potencia aumentan la eficiencia de la conversión de energía eléctrica. Los arrancadores suaves, las fuentes de alimentación ininterrumpida, los motores eléctricos y las diversas instalaciones eléctricas consumen menos y duran más debido al uso de componentes electrónicos de potencia.
En los dispositivos que contienen un motor eléctrico, más de la mitad de la electricidad consumida se gasta para garantizar su rotación. Un convertidor de frecuencia de semiconductor ajustable reduce el consumo de electricidad en un 30% sin afectar otras especificaciones.
Redes electricas
El uso de convertidores de semiconductores en el transporte y distribución de electricidad puede ahorrar hasta un 25% de electricidad. Por lo tanto, la introducción generalizada de componentes de energía de semiconductores le permite abandonar la construcción de nuevas plantas de energía y prescindir de las capacidades de las existentes.
Plantas de energía solar
La electricidad recibida de los paneles solares debe convertirse para su transmisión a la red eléctrica o para uso doméstico. El uso de dispositivos semiconductores de potencia para controlar las plantas de energía solar aumenta su eficiencia.
Transporte electrico
Los autos eléctricos usan la energía almacenada en las baterías. Gracias al uso de la electrónica de potencia, la conversión de energía para las necesidades de varios consumidores en el automóvil ocurre con pérdidas mínimas. Y la tecnología de recuperación le permite utilizar la energía de frenado para recargar las baterías y aumentar el kilometraje.
Además, es interesante que el rápido desarrollo del transporte eléctrico obligó a los fabricantes de dispositivos semiconductores a buscar nuevos materiales más eficientes energéticamente para crear nuevos componentes de energía. Según estudios analíticos, la industria de semiconductores está convirtiendo masivamente sus capacidades para usar carburo de silicio y nitruro de galio en lugar de cristales de silicio ordinarios.
Los elementos de potencia hechos de nuevos materiales son mucho más compactos que los de silicio tradicional, lo que sugiere que las fuentes de alimentación de nueva generación serán un 80-90% menos. Además, los compuestos que usan estos materiales tienen una potencia específica 10 veces mayor, operan a frecuencias más altas y en un rango de temperatura más amplio, y el nivel de resistencia en el estado abierto y las corrientes de fuga son significativamente más bajos que los de las contrapartes de silicio.
Perspectivas
Muchos gobiernos han adoptado programas para reducir las emisiones de dióxido de carbono. Por ejemplo, el gobierno español planea reducir las emisiones de CO2 en un 20% para 2030, y en un 90% desde los niveles de 1990 para 2050. El papel principal en la reducción de emisiones se asigna a la industria de energía eléctrica, y se planea llevar a cabo la transformación de otras industrias más adelante.
Plan de reducción de CO2 por sector industrial. España, 2019. Fuente
Se estima que para 2030 la capacidad de la industria eléctrica nacional debería alcanzar los 157 GW. De estos, 50 GW serán provistos por plantas de energía eólica y 37 GW - plantas de energía solar fotovoltaica, 27 GW - energía de ciclo combinado.
Además, el paquete de leyes estipula que a partir de 2040 en España será posible comprar solo automóviles con cero emisiones.
Paquetes de leyes similares ya han sido adoptados o están siendo considerados en países de la UE. Esto significa que en las próximas décadas podemos esperar un rápido crecimiento en las ventas de dispositivos semiconductores de potencia, ya que sin ellos la implementación de las medidas planificadas para mejorar la situación ambiental es simplemente imposible.