Quelles nouvelles exigences l'essor des énergies renouvelables pose-t-il pour les diodes haute-tension ?

 

1, Percée des paramètres techniques : des kilovolts à des dizaines de milliers de volts

Les diodes haute tension traditionnelles-sont principalement utilisées dans les convertisseurs de fréquence industriels, le transport ferroviaire et d'autres domaines, avec des tensions de fonctionnement principalement concentrées dans la plage de 600 V-1 700 V. Cependant, avec l'expansion de l'intégration du réseau d'énergies renouvelables, le système électrique a mis en avant de nouvelles exigences concernant le niveau de tension de tenue des diodes haute tension :

Saut de tension dans le système de transmission CC

Dans les systèmes de collecte des centrales photovoltaïques et des parcs éoliens, la technologie de collecte DC devient courante. En prenant comme exemple la base photovoltaïque de Talatan dans la province du Qinghai, la ligne de transmission à courant continu ultra haute tension de ± 800 kV utilisée nécessite que la diode résiste à une tension de crête inverse supérieure à 10 kV. La diode en carbure de silicium (SiC) à structure verticale développée par Taiji Semiconductor a atteint un niveau de tension de tenue de 12 kV grâce à une technologie de gravure de tranchées profondes et de croissance épitaxiale, et le temps de récupération inverse a été raccourci à 50 nanosecondes, soit 80 % de plus que les dispositifs traditionnels à base de silicium.

Adaptation environnementale extrême de l’énergie éolienne offshore

La plate-forme flottante d'énergie éolienne offshore établit des normes strictes en matière de résistance au brouillard salin et à la corrosion des diodes. La diode haute tension-encapsulée dans du métal développée par Weihai Huajie Electronics adopte la technologie d'extinction d'arc à l'hydrogène et de substrat céramique, et peut toujours fonctionner de manière stable dans des environnements avec 95 % d'humidité et 5 % de concentration de brouillard salin. Sa durée de vie a dépassé 200 000 heures et il est devenu le composant désigné de l'onduleur pour éolienne offshore de 15 MW de Dongfang Electric.

Gestion de charge et de décharge du système de stockage d'énergie

Dans le système de stockage d'énergie du Ningde Times, la diode d'équilibrage doit résister à l'impact transitoire de haute tension pendant la charge et la décharge de la batterie. La diode régulatrice de tension de 5,1 V utilisée réduit la charge de récupération inverse (Qrr) à un tiers de celle des appareils traditionnels grâce à la technologie de dopage à l'or, prolongeant la durée de vie de la batterie de 20 % et augmentant l'efficacité d'équilibre à 99,5 %.

2, Expansion profonde des scénarios d'application : de la fonction unique à l'intégration du système

Les caractéristiques de fluctuation des énergies renouvelables conduisent à l'évolution des diodes haute tension-des fonctions de rectification traditionnelles vers des solutions au niveau du système :

La révolution de l'efficacité des onduleurs photovoltaïques

Dans l'onduleur de la série Huawei SUN2000-50KTL-H1, la diode à récupération ultra rapide MUR1680CT (trr=80ns) est utilisée en anti-parallèle avec l'IGBT, réduisant ainsi les pertes de commutation de 40 %. Dans des conditions de charge légère, ses caractéristiques de récupération douce suppriment efficacement les pics de tension, augmentant ainsi l'efficacité européenne à 98,7 %, soit 1,2 point de pourcentage de plus que les solutions traditionnelles.

Amélioration de la fiabilité du convertisseur d'énergie éolienne

La diode SiC Schottky utilisée dans l'éolienne de 2,5 MW de Goldwind Technology maintient des caractéristiques stables dans la plage de température de -40 degrés à 150 degrés, et la chute de tension de conduction (VF) montre un coefficient de température négatif avec l'augmentation de la température, évitant ainsi le risque de défaillance provoqué par une surchauffe locale lors d'une utilisation parallèle. Ce dispositif a permis de dépasser le MTBF (temps moyen entre pannes) de l'onduleur et de réduire le taux de panne annuel en dessous de 0,3 %.

Un soutien clé à la chaîne industrielle de l’énergie hydrogène

Dans le système de production d'hydrogène par électrolyse, les diodes haute-tension doivent résister aux fluctuations de tension causées par les démarrages et arrêts fréquents de la cellule d'électrolyse. Le TVS (Transient Voltage Suppressing Diode) développé par Silan Microelectronics a une précision de tension de serrage de ± 1 % et un temps de réponse inférieur à 1 picoseconde, protégeant efficacement les composants des électrodes à membrane des cellules d'électrolyse PEM et maintenant l'efficacité du système de production d'hydrogène à plus de 78 %.

3 : Le changement de paradigme de l'innovation matérielle : du silicium-à une large bande interdite

La recherche ultime de l'efficacité énergétique dans les systèmes d'énergies renouvelables entraîne l'itération accélérée des systèmes de matériaux à diodes haute tension-

Application à grande échelle du carbure de silicium (SiC)

Infineon CoolSiC ™ La diode série 1 200 V a un temps de récupération inverse de seulement 35 nanosecondes à une température de jonction de 25 degrés et possède une caractéristique de coefficient de température positif, ce qui facilite son expansion en parallèle. Dans la station de suralimentation Tesla V3, cet appareil augmente la densité de puissance du module de charge de 350 kW à 5 kW/po³, avec une efficacité de charge de 99,2 %, soit 1,5 point de pourcentage de plus que la solution à base de silicium-.

Percée RF du nitrure de gallium (GaN)

Dans le système d'alimentation photovoltaïque des stations de base 5G, le transistor GaN à haute mobilité électronique (HEMT) de Wolfspeed intègre des diodes pour réaliser une rectification du signal dans la bande de fréquences 24 GHz-52 GHz, réduisant ainsi la consommation d'énergie de 30 % par rapport aux dispositifs au silicium. Cette technologie augmente de 18 % la production quotidienne d'énergie du système d'alimentation en énergie solaire pour les stations de base et réduit les émissions de dioxyde de carbone de plus de 2 tonnes par an.

Exploration frontière de l'oxyde de gallium (Ga ₂ O ∝)

La diode à base de Ga₂ O3 développée par l'Institut japonais de recherche sur la technologie des fluides fluorés a une intensité de champ de claquage de 8 MV/cm, soit plus de 10 fois celle du silicium. Bien qu'il soit encore au stade de laboratoire, son niveau de tension de tenue théorique peut dépasser 10 kV, ce qui devrait fournir une solution disruptive pour la future transmission de courant continu à très haute tension.

4, Restructuration et défis de la structure du marché

La croissance explosive des énergies renouvelables remodèle l'écologie du marché des diodes haute- :

Changements structurels du côté de la demande

Selon les prévisions de Yole Développement, le marché mondial des diodes haute tension- devrait atteindre 4,5 milliards de dollars d'ici 2027, dont plus de 40 % des énergies renouvelables. En tant que plus grand marché photovoltaïque au monde, la demande de la Chine en diodes haute tension- devrait dépasser 8 milliards d'ici 2025, ce qui amènera des entreprises locales telles que Silan Microelectronics et Huatian Technology à occuper plus de 60 % de part de marché.

Concurrence technologique du côté de l’offre

Des géants internationaux tels que Texas Instruments et Infineon accélèrent la configuration des lignes de production de SiC, tandis que les fabricants chinois parviennent à dépasser leur courbe grâce à des modèles d'intégration verticale. Par exemple, Sanan Optoelectronics a construit une usine de plaquettes SiC de 6-pouces avec une production mensuelle de 50 000 pièces, et son taux de rendement des diodes haute tension est de 95 %, avec un coût 20 % inférieur à celui de ses pairs internationaux.

Le risque de décalage du système standard

La norme CEI 60747 actuelle utilise toujours des dispositifs à base de silicium-comme référence, et il existe des différences significatives dans des paramètres tels que le coefficient de dilatation thermique et la contrainte d'emballage des matériaux à large bande interdite. L'industrie doit de toute urgence établir des normes de test de diodes haute tension pour les nouveaux matériaux tels que le SiC et le GaN afin d'éviter les risques de qualité causés par l'absence de normes.