Secondo un recente studio realizzato da Ims, Semikron è uno dei maggiori produttori indipendenti presenti nell'elettronica di potenza e si propone, con una share di mercato pari al 34%, come riferimento europeo nella produzione di moduli, e come leader nei moduli di potenza intelligenti e nei moduli a diodo e tiristore. A conferma del suo costante orientamento verso l'innovazione e lo sviluppo nel settore dell'elettronica di potenza, molti progetti un tempo pionieristici sono diventati oggi degli standard industriali; tra le sue tante innovazioni, la più famosa è il Semipack, il primo modulo di potenza a base isolata. All'interno della sua vasta gamma di prodotto troviamo circa 11600 tipi diversi di semiconduttori, da 1W a più MW, utilizzati nel mercato dell'azionamento motori, nel power supply, nei processi di automazione industriale, nei veicoli elettrici, nel settore automobilistico e nell'energia alternativa. Proprio nel settore dell'energia alternativa Semikron ha sviluppato interessanti progetti, soprattutto nell'ambito delle applicazioni eoliche. Di questo abbiamo parlato con Dejan Schreiber, da quasi vent'anni Senior Application Manager della società, specializzato tra le altre cose, in convertitori per l'elettronica di potenza e per turbine eoliche a velocità variabile.
Il settore dell'energia eolica è in forte e continua crescita. Qual è l'impatto di queste applicazioni sullo sviluppo di semiconduttori di potenza in Semikron?
Abbiamo raggiunto il nostro più alto tasso di crescita nel settore delle energie rinnovabili. 31GW dei 72,6 GW di capacità di energia eolica totale installati in tutto il mondo a partire dal 1993 contengono tecnologia Semikron. All'inizio degli anni '90, siamo stati proprio noi a fornire le prime soluzioni di semiconduttori di potenza destinati alle applicazioni per turbine eoliche, investendo nelle tecnologie e ottenendo la topologia di un modulo integrato di potenza sviluppato specificamente per l'utilizzo su generatori eolici, grazie alla sua affidabilità operativa, all'aspettativa di vita di servizio, all'efficienza e al design scalabile. La nostra vasta e comprovata attività ci permette di sviluppare prodotti e linee di altissimo livello, fattore che ci consente senz'altro di partire avvantaggiati rispetto alla concorrenza.
Quali sono le maggiori sfide che questo settore si trova oggi ad affrontare?
Fino ad ora l'elettronica di potenza è stata utilizzata nel back-end della produzione di energia. L'elettronica di potenza è comunque utilizzata anche nel front-end, ad esempio nelle applicazioni per turbine eoliche, nonché nella distribuzione dell'alimentazione, nelle soluzioni front-end e back-end per le linee di trasmissione. È quindi necessario migliorare la qualità dell'alimentazione. I requisiti delle cosiddette "reti intelligenti" di distribuzione dell'alimentazione stanno diventando sempre più severi. Gli standard rendono tali requisiti ancora più complicati. Tutte queste necessità devono comunque essere soddisfatte, sebbene vi sia stato un rafforzamento della pressione nei confronti dell'aumento della velocità di sviluppo. Il modo migliore per soddisfare questo requisito è sviluppare prodotti che possano costituire una piattaforma di base, oltre a poter essere facilmente ampliati, al fine di soddisfare la richiesta di una gamma di potenza in continua crescita. Si tratta di una sfida enorme per il settore dell'elettronica di potenza.
Quali sono le soluzioni proposte da Semikron per essere all'avanguardia nel settore eolico?
Offriamo SKiiP, un modulo di potenza integrato che include raffreddamento, driver, sensori di corrente e funzioni di protezione perfettamente abbinati. Inoltre, disponiamo di gruppi di alimentazione e soluzioni scalabili per potenze nell'ordine dei MW. Per restare all'avanguardia nel settore eolico dobbiamo tuttavia sviluppare soluzioni per requisiti di potenza persino maggiori di 5 MW. Entro 5 anni, questa cifra potrebbe raggiungere i 10 MW. Per quanto riguarda i generatori ad alta potenza, i generatori eolici devono essere unità a media tensione.
Qual è la tensione del semiconduttore raccomandata per le turbine eoliche a velocità variabile?
1700 V. Le applicazioni per le energie rinnovabili hanno indubbiamente bisogno di semiconduttori la cui alta efficienza sia stata comprovata. Come già visto nell'esercizio degli inverter, quando si utilizzano differenti moduli a Igbt con lo stesso case ma con tensioni differenti, 1700 V (dispositivo a bassa tensione), 3300 V e 6500 V, e si simula la potenza di uscita disponibile, è chiaro che gli Igbt a media tensione non sono soluzioni economiche. La limitazione della potenza di uscita equivale alle perdite di potenza totali. A pari perdite di potenza, i moduli a media tensione da 3,3 kV/1200 A sono in grado di produrre esclusivamente la metà della potenza disponibile. I moduli da 1,7 kV /2400 A e da 6,5 kV/600 A producono invece solo un quarto della potenza disponibile. Le condizioni di esercizio vengono adattate ai livelli di tensione, mentre la frequenza di commutazione, pari a 3,6 kHz, resta uguale in tutti i casi. La dimensione del filtro è la ragione per la quale la frequenza di commutazione in uso rimane invariata. Da 3 a 4 kHz, la potenza del filtro sinusoidale è di circa il 15% della potenza dell'inverter. In questo modo, tutti gli inverter hanno dimensioni del filtro e costi simili. Ciò significa che, per i motori MV, è necessario un approccio diverso in materia di circuiti inverter.
Quali sono i punti di forza che differenziano Semikron dagli altri fornitori di moduli?
Siamo orientati verso le applicazioni. Sviluppiamo e produciamo semiconduttori di potenza facili da utilizzare nelle applicazioni specifiche. Ad esempio, parecchi anni fa, gli enormi moduli a Igbt a singolo interruttore avevano solo due terminali (collettore ed emettitore) e due versioni, come in uno specchio: una per il l'interruttore Bottom e una per il Top. Fin dall'inizio eravamo comunque consapevoli degli svantaggi di questo tipo di soluzione. Per un inverter a tensione impressa, il modulo di potenza deve essere un mezzo ponte con terminali CC e AC separati. Nel layout SKiiP, che ha più di 15 anni, il terminale CC si trova su un lato, mentre il terminale AC è posizionato sull'altro lato del modulo, con numerosi terminali in parallelo. Questa linea viene ora utilizzata anche da altri fornitori e non è stata eguagliata. Inoltre, la nostra esperienza nel campo delle applicazioni per le turbine eoliche ci permette di integrare soluzioni in cui siamo in grado di garantire affidabilità e alta efficienza. Ad esempio, i moduli senza base plate con tecnologia SKiiP, basati su contatti a pressione termica. Il base plate è stato rimosso, e un sistema di pressione è stato integrato per spingere il DCB sul dissipatore su numerosi punti distribuiti uniformemente. Questa tecnologia di contatto a pressione assicura una bassa resistenza termica di contatto, un'eccellente resistenza al thermal cycling e maggiori densità di potenza. Inoltre, qualora vengano richieste correnti maggiori, si possono collegare molti moduli in parallelo senza alcuna difficoltà.
Fino a che punto Semikron è coinvolta nelle applicazioni per l'energia eolica destinate al cliente finale?
Dalle specifiche iniziali fino alla fase di progettazione, lavoriamo a stretto contatto con i nostri clienti, garantendo loro servizi locali e supporto.
Quali sono le vostre previsioni in termini di utilizzo della tecnologia dei circuiti di driver per Igbt nelle applicazioni per inverter solari ed energia eolica?
Nelle applicazioni eoliche arriveranno circuiti di driver più intelligenti caratterizzati da una elevata integrazione. Per quanto riguarda gli inverter solari, invece, Semikron sta attualmente lavorando assieme ai produttori di inverter solari. L'efficienza di un inverter solare è uno degli argomenti principali di vendita per il mercato finale, a causa della durata più limitata del periodo di recupero per forniture a corrente più elevata. Gli inverter solari operano ad alte frequenze di commutazione, per ridurre le dimensioni dei filtri. I diodi al carburo di silicio e i Mosfet rappresentano soluzioni alternative ai classici diodi di ricircolo al silicio e agli Igbt, per ridurre le perdite di commutazione. Un inverter con SiC e Igbt ha una riduzione fino al 30% delle perdite di commutazione. Molto spesso, nei moduli vengono utilizzate topologie specifiche del cliente.
Ritiene che gli inverter monolitici verranno utilizzati nelle future applicazioni per l'energia eolica?
Certamente. I blocchi monolitici consentiranno una maggiore flessibilità.
Dobbiamo aspettarci nuovi dispositivi in carburo di silicio per le soluzioni per l'energia eolica da parte di Semikron?
Non nell'immediato futuro. Poiché sono necessarie alte correnti, il rendimento fra l'investimento e la misurazione netta li rende una proposta non fattibile dal punto di vista economico.
Quale fra i vostri concorrenti ritiene possa impegnarsi nella corsa alla leadership?
Come ho già detto, considerando i 72,6 GW di capacità totale di potenza per l'energia eolica installati a partire dal 1993, il 43% della suddetta capacità sfrutta tecnologia Semikron. I produttori di turbine eoliche hanno bisogno di soluzioni integrate di potenza, che includano raffreddamento, driver, sensori di corrente e funzioni di protezione perfettamente abbinati. È qui che facciamo la differenza rispetto alla concorrenza. I nostri clienti danno un gran valore al modulo SKiiP pronto all'uso, che garantisce eccellenti capacità di resistenza ai cicli di carico e al temperature cycling. Questo sottosistema Igbt è adatto per le applicazioni di potenza dell'ordine dei MW; ecco perché è uno dei più potenti moduli IPM sul mercato. Attualmente, il settore dell'energia eolica sta crescendo in modo dinamico in modo particolare in Asia, e questo apre per noi la porta a nuove opportunità, soprattutto se consideriamola che entro il 2020, il governo cinese ha in programma di coprire il 10% del fabbisogno energetico con fonti di energia rinnovabile.
