SiC og solenergi

Forbrukere, næringsliv og myndigheter tar alle skritt for å øke bruken av fornybar energi. Dette endrer kraftproduksjons- og distribusjonssystemet fra en stort sett sentralisert, hjul-og-eiker-arkitektur til en mer maskebasert tilnærming til lokal produksjon og forbruk, støttet av smartnett-kommunikasjon for å jevne ut tilbud og etterspørsel.

I denne artikkelen forklarer halvlederprodusenten onsemi hvordan silisiumkarbid- (SiC) baserte komponenter vil utgjøre en viktig rolle i den nye infrastrukturen.

50 % vekst i fornybar
Ifølge det Internasjonale Energibyråets (IEA) drivstoffrapport fra oktober 2019, vil fornybar energikapasitet vokse 50% innen 2024. Det betyr ytterligere 1200 GW kapasitet på verdensbasis, tilsvarende USAs nåværende installerte kapasitet. Rapporten spår at 60% av denne veksten vil være i form av solcelleanlegg (PV).

Distribuert produksjon
Rapporten understreker også betydningen av distribuerte solenergisystemer, ettersom forbrukere, næringsbygg og industrianlegg begynner å produsere sin egen kraft. Den spår at den totale distribuerte PV-produksjonskapasiteten vil mer enn doble seg innen 2024, og dermed overstige 500GW. Dette vil bety at distribuert produksjon av solenergi vil utgjøre nesten halvparten av den totale solcelleveksten.

Fordelen med sol
Hvorfor tar solcelleproduksjon en så ledende rolle i veksten innen fornybar energi? En åpenbar grunn er at solen skinner på oss alle, og derfor er energien veldig tilgjengelig. Dette er spesielt nyttig for å redusere distribusjonstap ved å bringe produksjonen nærmere forbruket, og for å bringe strøm til lokasjoner utenfor nettet.

Mye
Den andre åpenbare årsaken er at det er så mye solenergi. Det er mange nyanser knyttet til beregning av hvor mye energi jorden mottar fra solen, men en tommelfingerregel sier at den i gjennomsnitt er 1 kW per kvadratmeter ved havnivå på en klar dag, eller 6 kWh per kvadratmeter per dag hvis man tar med faktorer som dag/natt sykluser, innfallsvinkel, sesongforhold og så videre.

Fra fotoner til strøm
Solceller bruker den fotoelektriske effekten til å gjøre denne energien, brakt til jorden som en strøm av fotoner, om til elektrisk energi. Fotoner absorberes av et halvledende materiale, for eksempel dopet silisium, og energien deres eksiterer elektroner ut av deres molekylære eller atomiske baner. Disse elektronene er da frie til enten å spre sin ekstra energi som varme og gå tilbake til deres baner, eller å reise til en elektrode og bli en del av en strøm som flyter for å nøytralisere potensialforskjellen som oppstår ved deres tilstedeværelse på elektroden.

Lav effektivitet
Som med alle energiomformingsprosesser, blir ikke all energitilførsel til solcellen sendt ut i den foretrukne elektriske formen. Faktisk har effektiviteten til solceller med énkrystall silisium ligget et sted mellom 20 og 25% i årevis. Imidlertid er mulighetene for solcelleenergi så enorme at forskerteam har jobbet med å øke cellekonverteringseffektiviteten i flere tiår ved å bruke stadig mer komplekse strukturer og materialer, som vist i dette diagrammet fra NREL.

Kompromisser
De høyere effektivitetene som vises, oppnås vanligvis på bekostning av bruk av flere forskjellige materialer og mer komplekse og kostbare produksjonsteknikker.

Mange solcelleanlegg er avhengige av forskjellige former for krystallinsk silisium eller tynnfilm av silisium, kadmiumtellurid eller kobber-indium-galliumselenid, med omformingseffektivitet i området 20% til 30%. Celler er bygget opp i moduler designet for å utgjøre basisenhetene som installatører jobber med når de bygger solcellesystemer.

Utfordring: Effektivitet
PV-konvertering omformer en kilowatt av solenergi på hver kvadratmeter av jordoverflaten til 200 W til 300 W elektrisk energi. Dette er selvfølgelig under ideelle forhold. Omformingseffektiviteten kan reduseres av regn, snø og støv som avsettes på cellens overflate, aldringseffekter i det halvledende materialet og miljøendringer slik som økende skygge på grunn av vekst av vegetasjon eller oppføring av nye bygninger.

Effektgevinster
I praksis er det derfor slik at selv om solenergi er gratis, innebærer det å bruke den til å lage nyttig elektrisk energi nøye optimalisering av hvert trinn i innhenting, lagring og konvertering til elektrisk energi. En av de største mulighetene for effektivitetsgevinster er i utformingen av inverteren (frekvensomformeren) som omformer DC-utgangen fra en solcellematrise (eller batterilageret) til en vekselstrøm, for direkte forbruk eller overføring over strømnettet.

Fra firkant til sinus
Omformere fungerer ved å svitsje polariteten til en DC-inngangsstrøm slik at den blir tilnærmet en AC-utgang. Jo høyere svitsjefrekvens, desto større omformingseffektivitet. Enkel svitsjing skaper en firkantbølge på utgangen, noe som er greit nok for å kjøre resistive laster, men denne løsningen genererer harmoniske som kan skade mer kompleks elektronikk som er designet for å drives av ren sinusbølge AC. Dermed blir omformerdesign en balansegang mellom å øke svitsjefrekvensen for å øke effektiviteten, driftsspenningen og effektkapasiteten, og minimere kostnaden for tilleggskomponenter som brukes for å myke opp firkantbølgen.

Fordelen med SiC
Silisiumkarbid (SiC) har flere materialrelaterte fordeler sammenlignet med silisium når det gjelder styring av solenergi fra et båndgap, det vil si mengden energi det krever å gjøre et elektron tilgjengelig for å lede elektrisitet; Nesten tre ganger så mye som silisium. Dette betyr at en SiC-komponent vil opprettholde et elektrisk felt nesten ti ganger det av silisium før det brytes ned, slik at SiC-komponenter kan operere effektivt ved mye høyere spenninger enn lignende strukturer bygget i silisium. SiC-komponenter har også mye lavere på-motstand, gate-ladning og omvendt gjenopprettingsladningskarakteristikk enn silisium, samt høyere varmeledningsevne. Disse egenskapene betyr at SiC-komponenter kan svitsje ved høyere spenninger, frekvenser og strømmer enn silisiumekvivalenter, samtidig som de styrer varmeoppbyggingen mer effektivt.

Ikke praktisk i silisium
SiC brukes til å lage komponenter som ikke er praktisk mulig i silisium. MOSFETer foretrekkes i svitsjeapplikasjoner fordi de er unipolare enheter, noe som betyr at de ikke bruker minoritetsbærere. Bipolare silisiumkomponenter, som bruker både majoritets- og minoritetsbærere, kan operere ved høyere spenninger enn silisium-MOSFETer, men deres svitsjehastighet reduseres av behovet for å vente på at elektroner og hull rekombinerer når de svitsjer, samt for å dissipere rekombinasjonsenergien.

Høyere spenning
Silisium-MOSFETer er mye brukt i svitsjeapplikasjoner opp til rundt 300V, over denne øker komponentens på-motstand til et punkt der designere må ty til langsommere bipolare alternativer. SiCs høye nedbrytningsspenning betyr at den kan brukes til å bygge MOSFETs med mye høyere spenning enn det som er mulig i silisium, samtidig som man beholder fordelene med høye svitsjehastigheter som lavspennings silisiumkomponenter har. Svitsjeytelsen er også relativt uavhengig av temperatur, noe som muliggjør konsistent ytelse når systemene varmes opp.

Høyere hastighet
Siden kraftomformingseffektivitet er direkte relatert til koblingsfrekvens, er SiC en «dobbel vinner» ved både å kunne håndtere høyere spenninger enn silisium, og ved å kunne svitsje dem med de høye hastighetene som trengs for å sikre høy omformingseffektivitet.

Varmeledning
SiC har også tre ganger varmeledningsevnen til silisium og kan derfor kjøres ved høyere temperaturer. Silisium slutter å fungere som en halvleder ved rundt 175 C og blir en leder ved rundt 200 C, mens dette ikke skjer med SiC før materialet når rundt 1000 C. SiCs termiske egenskaper kan utnyttes på to måter. For det første kan det brukes til å lage kraftomformere som trenger mindre kjøling enn tilsvarende silisiumsystemer. Alternativt kan SiCs konsistente drift ved høyere temperaturer utnyttes til å lage svært tette kraftomformingssystemer i anvendelser der plassbruk er kritisk, som for eksempel i kjøretøyer og mobilbasestasjoner.

Solenergi
Vi kan se disse fordelene i aksjon i en kraftforsterkerkrets som gjør omforming av solenergi mer effektiv. Kretsen er designet for å matche utgangsimpedansen til et solcelleanlegg – som vil variere med nivået av innfallende lys – til inngangsimpedansen som kreves av omformeren for den mest effektive omformingen.

Mer effektiv
En tilnærming med laveste kostnad vil gjøre bruk av silisiumdioder og -MOSFETer. Den første optimaliseringen vil være å erstatte silisiumdiodene med SiC-versjoner, noe som vil øke effekttettheten og omformingseffektiviteten til kretsen og redusere systemkostnadene. Ved å bytte ut også silisium-MOSFETen med en SiC-ekvivalent får designere et bredere valg av svitsjefrekvenser, noe som forbedrer kretsens omformingseffektivitet og effekttetthet ytterligere.

SiC-komponenter
onsemi tilbyr SiC Schottky dioder med verdier på opp til 1200V og 20A i velkjente TO220 og TO247 pakker. De tilbys også som nakne brikker rettet mot modulintegratorer, med verdier opp til 1200V og 50A.

Det fins også et stort spekter  av 1200V SiC MOSFETs i velkjente D2PAK og TO247 formater, med typiske RDS On tall ned til 20 mΩ.

Integrerte kraftmoduler
Selskapet selger også hybridmoduler som kombinerer silisiumbaserte IGBTer og SiC-dioder, slik som denne integrerte kraftmodulen. Den har to forsterkertrinn, bestående av to 40A/1200V IGBTer, to 15A/1200V SiC dioder, og to 25A/1600V anti-parallelldioder for IGBTene. To ekstra 25A/1600V bypass-likerettere begrenser startstrømmer, og modulen er også beskyttet gjennom en integrert termistor.

For de som ønsker å dra nytte av SiC i en solcelleinstallasjon, utvikler onsemi også et spekter av to- eller trekanals SiC-baserte forsterkermoduler for solcelleinvertere.

Mange fordeler
SiC-baserte kraftkomponenter tilbyr mange fordeler i forhold til silisiumalternativer, inkludert deres evne til å svitsje høye spenninger og strømmer ved høye hastigheter, samt lave tap og god termisk ytelse. Selv om de for tiden kan være mer kostbare enn silisiumekvivalenter ved direkte sammenligning (dersom et silisiumalternativ er tilgjengelig), kan deres bidrag til systemytelsen gi besparelser, for eksempel i kjølekompleksitet, som mer enn kompenserer for dette. Og så er det effektivitetsargumentet: Hvis implementering av SiC kunne øke kraftomformingseffektiviteten til alle de distribuerte solcelleanleggene som IEA forventer å bli installert innen 2024 med bare 2%, ville det skape svimlende 10 GW med ekstra kapasitet.

Kilde: onsemi