Para reduzir as emissões de CO2 na atmosfera, é necessário abandonar o uso de usinas termelétricas e mudar para uma energia ecológica. Essa transição não pode ser feita simultaneamente; primeiro é necessário aumentar a eficiência do uso da eletricidade já gerada, reduzir suas perdas durante o transporte para o consumidor e a conversão para várias formas. Um elemento chave para resolver esses problemas é a eletrônica de potência e os dispositivos semicondutores de potência.
Como as soluções para energia são um dos segmentos mais importantes de nossos negócios, consideramos importante falar sobre como nosso trabalho ajuda a tornar o mundo mais limpo. Em particular, os semicondutores de energia que fabricamos podem economizar significativamente eletricidade e, como resultado, abandonar a construção de usinas de energia prejudiciais ao meio ambiente. Vamos descobrir como os semicondutores de potência diferem dos comuns e descobrir quais propriedades podem economizar eletricidade e reduzir as emissões de CO2.
Recursos de dispositivos semicondutores de potência
Se você não se aprofundar na teoria, os dispositivos semicondutores de potência são os mesmos diodos, transistores e tiristores modificados, levando em consideração o escopo de sua aplicação. Ao contrário dos dispositivos microeletrônicos, os semicondutores de potência são usados em correntes de dezenas, centenas e milhares de amperes, tensões de centenas de megavolts. Tais cargas requerem soluções de projeto específicas para eliminar a ruptura da junção pn.
Por exemplo, a base de um poderoso
diodo de potência é uma placa fina de cristal único de silício, na qual uma junção pn é formada. Para evitar que a placa se quebre devido ao aquecimento, ela é soldada com solda de prata a discos termocompensadores de tungstênio ou molibdênio com espessura de até 3 mm. O "sanduíche" resultante é colocado em um invólucro selado com um design de pino ou tablet.
Design de diodo de pinos. Fonte
O principal elemento para a conversão de eletricidade de alta potência - dezenas de megavolts e acima - é um
tiristor de alta tensão . Estruturalmente, consiste em quatro camadas de silício com condutividade alternada, na fronteira da qual são formadas três junções pn. Duas transições extremas são o ânodo e o cátodo, e a do meio é a de controle.
O tiristor possui dois estados estáveis: “aberto” (fluxo de corrente) e “fechado” (sem corrente). O estado muda sob a influência da tensão no eletrodo de controle. A mudança ocorre muito rapidamente, embora não instantaneamente. Nos circuitos de tensão alternada, o tiristor passa apenas uma meia onda - a superior. Quando a meia-onda inferior chega, ela é redefinida para o estado “fechado”. Esta propriedade do tiristor é usada na troca de fontes de alimentação para converter um senoide em pulsos.
Com base nos tiristores, conversores para serviços pesados são criados em linhas de energia de corrente contínua (linhas de energia), inserções CC entre sistemas de energia, compensadores de energia reativa estática em linhas de energia de corrente alternada.
O dispositivo de um tiristor de alta tensão. Fonte
Os principais consumidores de eletricidade operam com capacidades abaixo de megawolts. O elemento de energia mais comum para essa faixa é o
transistor de campo bipolar, transistor bipolar de porta isolada, IGBT. O IGBT é um circuito integrado de energia de muitas células elementares. Cada célula consiste em um transistor bipolar de alta tensão com um transistor de efeito de campo incluído no circuito de controle. Vantagens do IGBT - pequeno consumo de energia no circuito de controle para ligar e desligar e alta velocidade.
Para construir conversores de baixa potência, são utilizados
transistores MOS , transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal e semicondutor, MOSFET. Esses dispositivos também são fabricados na forma de um circuito integrado de potência contendo centenas de milhares de células transistorizadas. A tensão de operação para circuitos MOS, em regra, é inferior a 500 V, a corrente de operação é de até centenas de amperes.
Onde e por que os dispositivos semicondutores são usados
Instalações industriais
Devido à sua economia, controlabilidade e alta eficiência, os dispositivos semicondutores de potência aumentam a eficiência da conversão de energia elétrica. Os soft starters, fontes de alimentação ininterruptas, motores elétricos e várias instalações elétricas consomem menos e duram mais devido ao uso de componentes eletrônicos de potência.
Nos dispositivos que contêm um motor elétrico, mais da metade da eletricidade consumida é gasta para garantir sua rotação. Um conversor de frequência semicondutor ajustável reduz o consumo de eletricidade em 30% sem afetar outras especificações.
Redes elétricas
O uso de conversores semicondutores no transporte e distribuição de eletricidade pode economizar até 25% de eletricidade. Assim, a introdução generalizada de componentes de potência de semicondutores permite abandonar a construção de novas usinas de energia e dispensar as capacidades das existentes.
Usinas de energia solar
A eletricidade recebida dos painéis solares deve ser convertida para transmissão à rede elétrica ou para uso doméstico. O uso de dispositivos semicondutores de energia para controlar usinas de energia solar aumenta sua eficiência.
Transporte elétrico
Os carros elétricos usam a energia armazenada nas baterias. Graças ao uso de eletrônicos de potência, a conversão de energia para as necessidades de vários consumidores no carro ocorre com perdas mínimas. E a tecnologia de recuperação permite colocar a energia de frenagem na recarga das baterias e aumentar a quilometragem.
Além disso, é interessante que o rápido desenvolvimento do transporte elétrico forçou os fabricantes de dispositivos semicondutores a procurar novos materiais mais eficientes em termos de energia para criar novos componentes de energia. De acordo com estudos analíticos, a indústria de semicondutores está convertendo massivamente suas capacidades no uso de carboneto de silício e nitreto de gálio em vez de cristais comuns de silício.
Os elementos de energia feitos de novos materiais são muito mais compactos que os de silício tradicionais, o que sugere que as fontes de alimentação da nova geração se tornem 80-90% menos. Além disso, os compostos que utilizam esses materiais têm uma potência específica 10 vezes maior, operam em frequências mais altas e em uma faixa de temperatura mais ampla, e o nível de resistência no estado aberto e nas correntes de fuga são significativamente menores do que os de silicone.
Perspectivas
Muitos governos adotaram programas para reduzir as emissões de dióxido de carbono. Por exemplo, o governo espanhol planeja reduzir as emissões de CO2 em 20% até 2030 e em 90% dos níveis de 1990 até 2050. O principal papel na redução de emissões é atribuído ao setor de energia elétrica, e a transformação de outros setores está planejada para ser realizada posteriormente.
Plano de redução de CO2 por setor industrial. Espanha, 2019. Fonte
Estima-se que até 2030 a capacidade do setor elétrico nacional chegue a 157 GW. Destes, 50 GW serão fornecidos pelas usinas eólicas e 37 GW - usinas solares fotovoltaicas, 27 GW - usinas de ciclo combinado.
Além disso, o pacote de leis estipula que a partir de 2040 na Espanha será possível comprar apenas carros com zero emissão.
Pacotes de leis semelhantes já foram adotados ou estão sendo considerados nos países da UE. Isso significa que nas próximas décadas podemos esperar um rápido crescimento nas vendas de dispositivos semicondutores de potência, pois sem eles a implementação das medidas planejadas para melhorar a situação ambiental é simplesmente impossível.