Untuk mengurangi emisi CO2 ke atmosfer, perlu untuk meninggalkan penggunaan pembangkit listrik termal dan beralih ke energi bersih. Transisi semacam itu tidak dapat dilakukan secara bersamaan, pertama-tama Anda perlu meningkatkan efisiensi penggunaan listrik yang sudah dihasilkan, untuk mengurangi kerugian selama pengangkutan ke konsumen dan konversi ke berbagai bentuk. Elemen kunci untuk menyelesaikan masalah ini adalah perangkat elektronik dan perangkat semikonduktor daya.
Karena solusi untuk energi adalah salah satu segmen terpenting dari bisnis kami, kami menganggap penting untuk berbicara tentang bagaimana pekerjaan kami membantu menjadikan dunia lebih bersih. Secara khusus, semikonduktor daya yang kami produksi dapat menghemat listrik secara signifikan dan, sebagai akibatnya, mengabaikan pembangunan pembangkit listrik yang berbahaya bagi lingkungan. Mari kita cari tahu bagaimana semikonduktor daya berbeda dari semikonduktor biasa dan mencari tahu apa sifat mereka yang dapat menghemat listrik dan mengurangi emisi CO2.
Fitur perangkat semikonduktor daya
Jika Anda tidak mempelajari teorinya, maka perangkat semikonduktor daya adalah dioda, transistor, dan thyristor yang sama, dimodifikasi dengan mempertimbangkan cakupan aplikasi mereka. Tidak seperti perangkat mikroelektronika, semikonduktor daya digunakan pada arus puluhan, ratusan dan ribuan ampere, tegangan ratusan megavolt. Beban seperti itu membutuhkan solusi desain khusus untuk menghilangkan kerusakan pada sambungan pn.
Sebagai contoh, dasar dari
dioda daya yang kuat adalah plat tipis silikon kristal tunggal di mana persimpangan pn terbentuk. Untuk mencegah pelat dari retak karena pemanasan, itu disolder dengan solder perak ke disk termokompensasi tungsten atau molibdenum hingga 3 mm. "Sandwich" yang dihasilkan ditempatkan di rumah yang disegel dari desain pin atau tablet.
Desain pin dioda. Sumber
Elemen utama untuk mengkonversi listrik daya tinggi - puluhan megavolt ke atas - adalah
thyristor tegangan tinggi . Secara struktural, itu terdiri dari empat lapisan silikon dengan konduktivitas bolak-balik, pada batas yang persimpangan pn tiga terbentuk. Dua transisi ekstrem adalah anoda dan katoda, dan yang tengah adalah yang kontrol.
Thyristor memiliki dua keadaan stabil: "terbuka" (arus mengalir) dan "tertutup" (tidak ada arus). Keadaan berubah di bawah pengaruh tegangan pada elektroda kontrol. Perpindahan itu sendiri terjadi dengan sangat cepat, meskipun tidak secara instan. Di sirkuit tegangan bolak-balik, thyristor hanya akan melewati satu setengah gelombang - yang atas. Ketika setengah gelombang bawah tiba, itu diatur ulang ke keadaan "tertutup". Properti thyristor ini digunakan dalam mengalihkan catu daya untuk mengubah sinusoid menjadi pulsa.
Atas dasar thyristor, konverter tugas berat dibuat dalam saluran listrik arus searah (saluran listrik), DC menyisipkan di antara sistem tenaga, kompensator daya reaktif statis dalam saluran listrik arus bolak-balik.
Perangkat thyristor tegangan tinggi. Sumber
Konsumen utama listrik beroperasi dengan kapasitas di bawah megawolt. Elemen daya yang paling umum untuk kisaran ini adalah
Transistor Bipolar Field , Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT. IGBT adalah rangkaian daya terintegrasi dari banyak sel elementer. Setiap sel terdiri dari transistor bipolar tegangan tinggi dengan transistor efek medan yang termasuk dalam rangkaian kontrol. Keuntungan IGBT - konsumsi daya kecil di sirkuit kontrol untuk menghidupkan dan mematikan dan kecepatan tinggi.
Untuk membangun konverter daya rendah,
transistor MOS , transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor, MOSFET digunakan. Perangkat ini juga dibuat dalam bentuk rangkaian daya terintegrasi yang berisi ratusan ribu sel transistor. Tegangan operasi untuk sirkuit MOS, sebagai aturan, adalah kurang dari 500 V, arus operasi hingga ratusan ampere.
Di mana dan mengapa perangkat semikonduktor digunakan
Instalasi industri
Karena ekonomis, dapat dikendalikan, dan efisiensi tinggi, perangkat semikonduktor daya meningkatkan efisiensi konversi daya listrik. Soft starter, catu daya yang tidak pernah terputus, motor listrik dan berbagai instalasi listrik mengkonsumsi lebih sedikit dan lebih lama karena penggunaan komponen elektronik daya.
Dalam perangkat yang mengandung motor listrik, lebih dari setengah dari listrik yang dikonsumsi dihabiskan untuk memastikan perputarannya. Konverter frekuensi semikonduktor yang dapat disesuaikan mengurangi konsumsi listrik hingga 30% tanpa mempengaruhi spesifikasi lainnya.
Jaringan listrik
Penggunaan konverter semikonduktor dalam transportasi dan distribusi listrik dapat menghemat hingga 25% listrik. Dengan demikian, pengenalan luas komponen daya semikonduktor memungkinkan Anda untuk mengabaikan pembangunan pembangkit listrik baru dan membuang kapasitas yang ada.
Pembangkit listrik tenaga surya
Listrik yang diterima dari panel surya harus dikonversi untuk transmisi ke jaringan listrik atau untuk keperluan rumah tangga. Penggunaan perangkat semikonduktor daya untuk mengendalikan pembangkit listrik tenaga surya meningkatkan efisiensinya.
Transportasi listrik
Mobil listrik menggunakan energi yang tersimpan dalam baterai. Berkat penggunaan elektronik daya, konversi energi untuk kebutuhan berbagai konsumen di mobil terjadi dengan kerugian minimal. Dan teknologi pemulihan memungkinkan Anda untuk memasukkan energi pengereman ke pengisian ulang baterai dan meningkatkan jarak tempuh.
Selain itu, menarik bahwa perkembangan pesat transportasi listrik memaksa produsen perangkat semikonduktor untuk mencari bahan baru yang lebih hemat energi untuk membuat komponen daya baru. Menurut studi analitis, industri semikonduktor secara besar-besaran mengubah kapasitasnya untuk menggunakan silikon karbida dan galium nitrida alih-alih kristal silikon biasa.
Elemen daya yang terbuat dari bahan baru jauh lebih kompak daripada silikon tradisional, yang menunjukkan bahwa pasokan daya generasi baru akan menjadi 80-90% lebih sedikit. Selain itu, senyawa yang menggunakan bahan-bahan ini memiliki kekuatan spesifik 10 kali lebih tinggi, beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi dan dalam kisaran suhu yang lebih luas, dan tingkat resistansi dalam keadaan terbuka dan arus bocor secara signifikan lebih rendah daripada rekan-rekan silikon.
Prospek
Banyak pemerintah telah mengadopsi program untuk mengurangi emisi karbon dioksida. Misalnya, pemerintah Spanyol berencana mengurangi emisi CO2 sebesar 20% pada tahun 2030, dan sebesar 90% dari tingkat tahun 1990 pada tahun 2050. Peran utama dalam mengurangi emisi ditugaskan ke industri tenaga listrik, dan transformasi industri lain direncanakan akan dilakukan kemudian.
Rencana pengurangan CO2 berdasarkan sektor industri. Spanyol, 2019. Sumber
Diperkirakan pada tahun 2030 kapasitas industri listrik nasional akan mencapai 157 GW. Dari jumlah tersebut, 50 GW akan disediakan oleh pembangkit listrik tenaga angin, dan 37 GW - pembangkit listrik tenaga surya fotovoltaik, 27 GW - daya siklus gabungan.
Selain itu, paket undang-undang menetapkan bahwa mulai tahun 2040 di Spanyol akan mungkin untuk hanya membeli mobil dengan emisi nol.
Paket hukum yang serupa telah diadopsi atau sedang dipertimbangkan di negara-negara UE. Ini berarti bahwa dalam beberapa dekade mendatang kita dapat mengharapkan pertumbuhan yang cepat dalam penjualan perangkat semikonduktor daya, karena tanpanya implementasi langkah-langkah yang direncanakan untuk memperbaiki situasi lingkungan adalah mustahil.