Conozcamos cómo el carburo de silicio está transformando los sistemas energéticos

El carburo de silicio (SiC) se ha convertido en una piedra angular para mejorar la eficiencia y apoyar la descarbonización en todas las industrias. Se trata de un elemento clave de los sistemas de alimentación avanzados, que responde a la creciente demanda mundial de energías renovables, vehículos eléctricos (VE), centros de datos e infraestructuras de red. La tecnología SiC presenta ventajas sobre los dispositivos tradicionales de silicio, especialmente en la eficiencia de conversión de potencia y en situaciones térmicamente sensibles. Su impacto global en las industrias electrónica y energética puede conducir a una mayor rentabilidad y sostenibilidad.

Expertos de dos empresas de semiconductores líderes en el sector: Michael Williams, director de marketing industrial y de infraestructuras de Infineon Technologies, y Shawn Luke, ingeniero de marketing técnico de DigiKey, comparten sus opiniones sobre el impacto de la tecnología SiC en el mercado y sobre lo que está por venir.

Cambiar el consumo de energía

"En el pasado, la mayor parte del consumo energético estaba ligado a algún tipo de control de motores, como las aplicaciones de automatización industrial y las fábricas, el transporte ferroviario, el movimiento de bombas para el tratamiento de aguas residuales o fluidos como el petróleo en oleoductos", explica Williams. "Con la introducción del carburo de silicio, se produjo un cambio hacia el impulso de la eficiencia en el mercado, permitiendo reducciones en las pérdidas de energía a través de múltiples etapas de conversión, apoyando aplicaciones de alta demanda".

Este cambio se centró en la descarbonización y el desarrollo de nuevas generaciones de tecnología renovable, incluidos los sistemas de energía renovable, la infraestructura de vehículos eléctricos y los centros de datos. También mejoró la eficiencia de la conversión de energía de alrededor del 95% al 98.5%, un cambio significativo que ha disminuido las pérdidas de energía, reducido la generación de calor y minimizado las necesidades de refrigeración.

Infraestructura de red

La simple transferencia de energía desde la red o una línea eléctrica de alto voltaje a un centro de datos puede resultar en una pérdida de energía del 5-6% a medida que pasa por varias capas de conversión. Se calcula que los centros de datos representan por sí solos 3% del consumo mundial de energía en la actualidad y se prevé que aumenten a 4% en 2030 (Data Centre Magazine, 2022), sin expectativas de ralentización. El SiC entra en juego en la infraestructura energética de los centros de datos, impulsando la eficiencia y el coste del sistema en el almacenamiento de energía a escala de red y en los inversores centrales solares. La solución combinada permite que los futuros centros de datos funcionen en un entorno de microrred, reduciendo la carga de la ya por sí tensa red estadounidense.

"Con la electrificación de los automóviles, estamos viendo que muchos diseños de referencia incorporan carga bidireccional y electrónica de potencia avanzada, lo que significa que cargan en horas de menor consumo y devuelven energía a la red en horas de mayor consumo", explica Luke.

El SiC, como tecnología de banda prohibida ancha, permite manejar tensiones más altas y velocidades de conmutación más rápidas en aplicaciones como la carga de vehículos eléctricos. Esto ha permitido una transformación completa de la infraestructura de la red mundial, reduciendo al mismo tiempo la complejidad del sistema y los costos globales.

Diseño con tecnología SiC

La tecnología SiC aborda bien la eficiencia, pero hay ocasiones en las que un diseñador necesita un producto pequeño, que es cuando se utilizan dispositivos de banda prohibida ancha (WBG) o de silicio (Si).

"Igual que un diseñador tiene tres tecnologías entre las que elegir, también tiene tres consideraciones fundamentales de diseño. ¿Hago que mi producto sea rentable; hago que mi producto sea compacto; o hago que mi producto sea eficiente?", explica Williams. "Elegir cualquiera de estas dos prioridades permite al diseñador optar por soluciones Si. Sin embargo, diseñar teniendo en cuenta estas tres consideraciones requiere dispositivos de banda prohibida ancha. El motor clave de los productos compactos es aumentar la frecuencia de conmutación para reducir el tamaño de los componentes magnéticos y la capacitancia del sistema".

Gracias a la capacidad WBG de la tecnología SiC, los niveles de tensión pueden ser más altos, lo que ha permitido la implantación de la tecnología de nueva generación. El reto es que el SiC es un material complejo con el que trabajar, ya que su base es mucho más rígida que la del silicio tradicional.

Los ciclos de alimentación son un factor clave en el desarrollo de encapsulados, ya que ejercen presión sobre la interconexión entre la matriz de SiC y su leadframe o sustrato, lo que puede provocar un fallo prematuro del dispositivo. El desarrollo de nuevas tecnologías de interconexión para mejorar el rendimiento de los ciclos de potencia de los futuros dispositivos de SiC es importante para hacer frente a los futuros requisitos de una red descarbonizada.

"Las aplicaciones actuales utilizan ciclos de potencia mucho más elevados que las aplicaciones de accionamiento por motor del pasado", afirma Williams. "Infineon se ha centrado en el desarrollo de nuestra tecnología .XT, una tecnología de interconexión avanzada que ha demostrado aumentar el rendimiento de los ciclos de potencia >22 veces frente a las técnicas estándar de soldadura blanda. Este desarrollo tecnológico permite una mayor densidad de potencia, un mejor rendimiento térmico y la máxima vida útil del sistema, posibilitando el cambio a fuentes de energía más renovables".

Innovaciones en el mercado de la conversión de potencia

La descarbonización de la red, que implica el abandono de las centrales eléctricas de combustibles fósiles (como el carbón y el petróleo), es un tema que entusiasma a estos expertos.

"La descarbonización puede producirse tanto a nivel macroeconómico, con los cambios que están haciendo las compañías eléctricas para pasar a la energía eólica, solar e hidroeléctrica, como a nivel del consumidor, con los vehículos eléctricos y similares", afirma Luke. "Facilitadores como SiC nos están ayudando a acercarnos más que nunca a las microrredes, localizando las fuentes de energía para una menor conversión y pérdida, ayudando a la descarbonización".

Otra innovación que consideran que tendrá un fuerte impacto en el sector eléctrico es la implantación de transformadores de estado sólido. Éstas pueden mejorar enormemente la infraestructura de la red eléctrica, reduciendo el tamaño, el tiempo de instalación y la complejidad general del emplazamiento de la compañía eléctrica. El despliegue de transformadores de estado sólido permite sistemas modulares de alta tensión y soluciones de microrredes, lo que conduce a una distribución de energía más sostenible.

¿Qué es lo siguiente?

Con la aparición constante de nuevas tecnologías, se prevé que el SiC tenga una presencia duradera.

"Los expertos de Infineon predicen que los dispositivos de conmutación de potencia de silicio seguirán dominando el mercado durante el resto de la década", afirma Williams. "Tenemos una posición única en el mercado al ofrecer las tres tecnologías de conmutación: silicio, carburo de silicio y nitruro de galio, y no vemos ninguna amenaza en los dispositivos de potencia de banda prohibida ancha que reduzcan el tamaño total del mercado".

Empresas como Infineon están invirtiendo en escalar la fabricación para aumentar la capacidad y desarrollar soluciones que mejoren la eficiencia energética al tiempo que reducen el costo de la tecnología SiC. Innovaciones como las microrredes modulares, las redes de CC distribuidas y los reactores de fusión están en el horizonte, con el SiC en el centro de estos avances.

A través de una sólida asociación con su distribuidor global, DigiKey, la rápida implementación de nuevas tecnologías a través de un modelo de distribución sin pedido mínimo y de alta disponibilidad, los diseñadores e ingenieros están bien posicionados para trabajar con todo lo que está por venir. Para obtener más información sobre soluciones de alimentación, visite DigiKey.com.