Afin de réduire les émissions de CO2 dans l'atmosphère, il est nécessaire d'abandonner l'utilisation des centrales thermiques et de passer à une énergie respectueuse de l'environnement. Une telle transition ne peut pas être effectuée simultanément, vous devez d'abord augmenter l'efficacité de l'utilisation de l'électricité déjà produite, pour réduire ses pertes pendant le transport vers le consommateur et la conversion sous diverses formes. Un élément clé pour résoudre ces problèmes est l'électronique de puissance et les dispositifs semi-conducteurs de puissance.
Étant donné que les solutions énergétiques sont l'un des segments les plus importants de notre entreprise, nous considérons qu'il est important de parler de la façon dont notre travail contribue à rendre le monde plus propre. En particulier, les semi-conducteurs de puissance que nous fabriquons peuvent considérablement économiser de l'électricité et, par conséquent, abandonner la construction de centrales électriques nuisibles à l'environnement. Voyons comment les semi-conducteurs de puissance diffèrent des semi-conducteurs ordinaires et découvrons ce que leurs propriétés peuvent économiser de l'électricité et réduire les émissions de CO2.
Caractéristiques des dispositifs semi-conducteurs de puissance
Si vous ne vous plongez pas dans la théorie, alors les dispositifs semi-conducteurs de puissance sont les mêmes diodes, transistors et thyristors, modifiés en tenant compte de la portée de leur application. Contrairement aux dispositifs microélectroniques, les semi-conducteurs de puissance sont utilisés à des courants de dizaines, centaines et milliers d'ampères, tensions de centaines de mégavolts. De telles charges nécessitent des solutions de conception spécifiques afin d'éliminer la rupture de la jonction pn.
Par exemple, la base d'une puissante
diode de puissance est une fine plaque de silicium monocristallin dans laquelle une jonction pn est formée. Pour éviter que la plaque ne se fissure sous l'effet de la chaleur, elle est soudée avec de la soudure à l'argent sur des disques thermocompensateurs en tungstène ou en molybdène jusqu'à 3 mm d'épaisseur. Le «sandwich» résultant est placé dans un boîtier étanche de conception à broches ou à tablettes.
Conception de diode à broches. Source
L'élément principal pour convertir l'électricité de haute puissance - des dizaines de mégavolts et plus - est un
thyristor haute tension . Structurellement, il est constitué de quatre couches de silicium à conductivité alternée, à la frontière desquelles se forment trois jonctions pn. Deux transitions extrêmes sont l'anode et la cathode, et celle du milieu est celle de contrôle.
Le thyristor a deux états stables: «ouvert» (flux de courant) et «fermé» (pas de courant). L'état change sous l'influence de la tension sur l'électrode de commande. La commutation elle-même se produit très rapidement, mais pas instantanément. Dans les circuits à tension alternative, le thyristor ne passera qu'une demi-onde - la supérieure. Lorsque la demi-onde inférieure arrive, elle est remise à l'état «fermé». Cette propriété du thyristor est utilisée dans la commutation des alimentations pour convertir une sinusoïde en impulsions.
Sur la base des thyristors, des convertisseurs robustes sont créés dans les lignes électriques à courant continu (lignes électriques), des inserts DC entre les systèmes d'alimentation, des compensateurs de puissance réactive statique dans les lignes électriques à courant alternatif.
Le dispositif d'un thyristor haute tension. Source
Les principaux consommateurs d'électricité fonctionnent avec des capacités inférieures aux mégawolts. L'élément de puissance le plus courant pour cette gamme est le
transistor de champ bipolaire, transistor bipolaire à grille isolée, IGBT. L'IGBT est un circuit intégré de puissance de nombreuses cellules élémentaires. Chaque cellule est constituée d'un transistor bipolaire haute tension avec un transistor à effet de champ inclus dans le circuit de commande. Avantages de l'IGBT - faible consommation d'énergie dans le circuit de commande pour allumer et éteindre et haute vitesse.
Pour construire des convertisseurs de faible puissance, des
transistors MOS , un transistor à effet de champ à oxyde métallique-semi-conducteur, MOSFET sont utilisés. Ces dispositifs sont également réalisés sous la forme d'un circuit intégré de puissance contenant des centaines de milliers de cellules à transistors. La tension de fonctionnement pour les circuits MOS, en règle générale, est inférieure à 500 V, le courant de fonctionnement peut atteindre des centaines d'ampères.
Où et pourquoi les dispositifs semi-conducteurs sont-ils utilisés
Installations industrielles
En raison de leur économie, de leur contrôlabilité et de leur haute efficacité, les dispositifs semi-conducteurs de puissance augmentent l'efficacité de la conversion de l'énergie électrique. Les démarreurs progressifs, les alimentations sans coupure, les moteurs électriques et diverses installations électriques consomment moins et durent plus longtemps grâce à l'utilisation de composants électroniques de puissance.
Dans les appareils contenant un moteur électrique, plus de la moitié de l'électricité consommée est dépensée pour assurer sa rotation. Un convertisseur de fréquence à semi-conducteur réglable réduit la consommation d'électricité de 30% sans affecter les autres spécifications.
Réseaux électriques
L'utilisation de convertisseurs à semi-conducteurs dans le transport et la distribution d'électricité peut économiser jusqu'à 25% d'électricité. Ainsi, l'introduction généralisée de composants de puissance à semi-conducteurs vous permet d'abandonner la construction de nouvelles centrales électriques et de vous dispenser des capacités des centrales existantes.
Centrales solaires
L'électricité reçue des panneaux solaires doit être convertie pour être transmise au réseau électrique ou pour un usage domestique. L'utilisation de dispositifs semi-conducteurs de puissance pour contrôler les centrales solaires augmente leur efficacité.
Transport électrique
Les voitures électriques utilisent l'énergie stockée dans les batteries. Grâce à l'utilisation de l'électronique de puissance, la conversion d'énergie pour les besoins de divers consommateurs dans la voiture se produit avec des pertes minimales. Et la technologie de récupération vous permet de consacrer l'énergie de freinage à la recharge des batteries et d'augmenter le kilométrage.
De plus, il est intéressant de noter que le développement rapide du transport électrique a contraint les fabricants de dispositifs à semi-conducteurs à rechercher de nouveaux matériaux plus économes en énergie pour créer de nouveaux composants de puissance. Selon des études analytiques, l'industrie des semi-conducteurs convertit massivement ses capacités en utilisant du carbure de silicium et du nitrure de gallium au lieu de cristaux de silicium ordinaires.
Les éléments de puissance constitués de nouveaux matériaux sont beaucoup plus compacts que ceux en silicium traditionnels, ce qui suggère que les alimentations de nouvelle génération deviendront 80 à 90% de moins. De plus, les composés utilisant ces matériaux ont une puissance spécifique 10 fois plus élevée, fonctionnent à des fréquences plus élevées et dans une plage de températures plus large, et le niveau de résistance à l'état ouvert et les courants de fuite sont nettement inférieurs à ceux des homologues en silicium.
Perspectives
De nombreux gouvernements ont adopté des programmes pour réduire les émissions de dioxyde de carbone. Par exemple, le gouvernement espagnol prévoit de réduire les émissions de CO2 de 20% d'ici 2030 et de 90% par rapport aux niveaux de 1990 d'ici 2050. Le rôle phare dans la réduction des émissions est attribué à l'industrie de l'énergie électrique, et la transformation d'autres industries devrait être effectuée plus tard.
Plan de réduction des émissions de CO2 par secteur industriel. Espagne, 2019. Source
On estime que d'ici 2030, la capacité de l'industrie nationale de l'électricité devrait atteindre 157 GW. Parmi ceux-ci, 50 GW seront fournis par des centrales éoliennes et 37 GW - centrales solaires photovoltaïques, 27 GW - à cycle combiné.
En outre, le paquet de lois stipule qu'à partir de 2040 en Espagne, il sera possible d'acheter uniquement des voitures à zéro émission.
Des paquets de lois similaires ont déjà été adoptés ou sont à l'étude dans les pays de l'UE. Cela signifie que dans les décennies à venir, nous pouvons nous attendre à une croissance rapide des ventes de dispositifs à semi-conducteurs de puissance, car sans eux, la mise en œuvre des mesures prévues pour améliorer la situation environnementale est tout simplement impossible.