Electrificación avanzada de SiC subiendo un tramo de escaleras. ¿Cómo mejorarán nuestros semiconductores el rendimiento de los automóviles y otras industrias en el futuro? John Palmour, director de tecnología de Wolfspeed de Cree Company.

Muchos sistemas de suministro de energía están cambiando de la tecnología de silicio (Si) a la de carburo de silicio (SiC). Este será el mayor cambio experimentado por la industria de semiconductores de potencia desde que el semiconductor bipolar se transformó en transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) en la década de 1980. Simultáneamente con esta transformación, muchas industrias afectadas también están experimentando un período inusual de transformación integral. Desde la industria automotriz hasta la energía solar, las ventajas del carburo de silicio (SiC) se han hecho evidentes. Mientras experimentan grandes cambios, los principales fabricantes se esfuerzan por integrar aún más el carburo de silicio (SiC) en sus propias tecnologías.

La industria automotriz es un ejemplo típico de cambios sin precedentes en la industria moderna. En la próxima década, la industria automotriz evolucionará del motor de combustión interna a la electrificación. La transformación del silicio (Si) al carburo de silicio (SiC) desempeña un papel fundamental para que los vehículos eléctricos satisfagan las necesidades de los consumidores y, al mismo tiempo, cumplan con las regulaciones gubernamentales sobre el impacto del cambio climático. Las soluciones de carburo de silicio (SiC) están ayudando a los vehículos eléctricos a superar las barreras, modernizando aplicaciones como la infraestructura de carga rápida, el inversor de accionamiento y la fuente de alimentación, e impulsando el progreso de las telecomunicaciones y las aplicaciones aeroespaciales.

Figura 1. Empleados Cree en el laboratorio.

Oportunidad del vehículo eléctrico

Ante la creciente demanda de los consumidores y el endurecimiento de las regulaciones gubernamentales, fabricantes de automóviles como Tesla, Ford y Volkswagen anunciaron que invertirán más de 300 2030 millones de dólares en vehículos eléctricos durante la próxima década. Los analistas predicen que, para 15, el número de vehículos eléctricos puros (VEP) alcanzará el XNUMX % del total de automóviles. Por lo tanto, en los próximos años, el mercado de componentes de carburo de silicio (SiC) para vehículos eléctricos crecerá exponencialmente.

La electrificación es tan importante que los fabricantes ya no pueden ignorar las ventajas del carburo de silicio (SiC). En comparación con la tecnología de silicio (Si) utilizada en los vehículos eléctricos tradicionales, el carburo de silicio (SiC) puede aumentar la vida útil de la batería, mejorar su rendimiento y acortar el tiempo de carga. Por ello, numerosos proveedores han anunciado su colaboración con Cree para desarrollar planes de vehículos eléctricos. Por ejemplo, Delphi Technologies está desarrollando un sistema inversor más eficiente, más pequeño y ligero utilizando semiconductores de carburo de silicio (SiC), mientras que ZF Group está desarrollando un sistema de propulsión totalmente eléctrico. ABB Group está desarrollando y suministrando diversos sistemas de energía que utilizan carburo de silicio (SiC).

Mejora de la eficiencia

La pérdida de conmutación del carburo de silicio (SiC) es mucho menor que la de los IGBT basados ​​en silicio (Si). Además, el dispositivo de carburo de silicio (SiC) no tiene voltaje incorporado y su pérdida de conducción es significativamente baja. Por lo tanto, el carburo de silicio (SiC) presenta mayor densidad de potencia, menor peso y mayor frecuencia de operación. En una prueba reciente con automóviles, en comparación con el silicio (Si), la tecnología de carburo de silicio (SiC) de Cree redujo la pérdida del inversor en aproximadamente un 78 %. En el sector automotriz, estas mejoras de eficiencia se pueden aplicar a soluciones de tren motriz, convertidores de potencia y cargadores integrados y no integrados. En comparación con las soluciones tradicionales basadas en silicio (Si), el carburo de silicio (SiC) puede mejorar la eficiencia general de los vehículos eléctricos entre un 5 % y un 10 %. Los fabricantes pueden aprovechar esto para aumentar la autonomía o reducir el uso de baterías voluminosas y costosas.

Además, el carburo de silicio (SiC) reduce la necesidad de refrigeración, ahorra espacio y es más ligero que el de los sistemas basados ​​en silicio (Si). El carburo de silicio (SiC) también es compatible con cargadores rápidos, lo que permite aumentar la duración de la batería en 75 km tras una carga de 5 minutos.

La continua disminución del coste de las soluciones de carburo de silicio (SiC) ha impulsado un mayor ritmo de adopción. Tomando como ejemplo los automóviles, estimamos que el valor de los componentes de carburo de silicio (SiC) utilizados en un vehículo eléctrico oscila entre 250 y 500 dólares (dependiendo de sus necesidades energéticas). El ahorro total para los fabricantes de automóviles en términos de coste de la batería, volumen y peso de las baterías e inversores, y requisitos de refrigeración de cada vehículo eléctrico puede alcanzar los 2,000 dólares. Si bien muchos factores impulsan la transición del silicio (Si) al carburo de silicio (SiC), esta es la clave.

Fuera de la industria del automóvil

La demanda de la industria automotriz representa aproximadamente la mitad de los 9 millones de dólares que Cree podría invertir en carburo de silicio (SiC), mientras que los sectores de la energía solar, la industria aeroespacial y las infraestructuras de comunicaciones son los principales impulsores de otras demandas. Según un pronóstico reciente de Canaccord Genuity Company, para 2030, la demanda de carburo de silicio (SiC) superará los 20 XNUMX millones de dólares.

Figura 2. MOSFET Cree de 650 V

Los dispositivos de potencia de carburo de silicio (SiC) también pueden ayudar a las empresas industriales y energéticas a optimizar el uso de la electricidad y el espacio. El carburo de silicio (SiC) proporciona a las fuentes de alimentación industriales de alta frecuencia y a los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) mayor eficiencia, mayor densidad de potencia y menor peso. Las ventajas del SiC superan con creces su coste.

En estas áreas, una mayor eficiencia se traduce en mayores beneficios. En el campo de la electrónica de potencia, la eficiencia del carburo de silicio (SiC) es mucho mayor que la del silicio (Si), y su densidad de potencia triplica la del silicio (Si), lo que hace que el sistema de alta tensión sea más ligero, compacto, eficiente y rentable. Este excelente rendimiento ha alcanzado un punto álgido, y los fabricantes ya no pueden ignorarlo si quieren seguir siendo competitivos en el mercado actual.

Futuro de los semiconductores

El costo es el principal obstáculo para la adopción del carburo de silicio (SiC). Sin embargo, gracias a la mejora continua de la producción y la experiencia, su costo también está disminuyendo. Por lo tanto, su fabricación se vuelve más eficiente y refinada. Más importante aún, los clientes se han dado cuenta de que el verdadero valor del carburo de silicio (SiC) reside en el sistema, más que en la comparación a nivel de dispositivo. Para satisfacer las necesidades de diversas industrias, se promoverá aún más la fabricación de carburo de silicio (SiC), y la producción seguirá aumentando, por lo que su precio seguirá bajando. Tomando a Cree como referencia, Cree ha realizado una gran inversión para satisfacer estas demandas, incluyendo la construcción de una fábrica en el estado de Nueva York que adopta tecnología de vanguardia y cumple con los estándares de las regulaciones de vehículos, lo que aumentará la capacidad de producción a más de 30 veces la de 2017.

La transformación del silicio (Si) al carburo de silicio (SiC) ya no es una cuestión de si ocurrirá ni cuándo. Ya estamos en ello. Es emocionante participar plenamente en los grandes cambios de muchas industrias. El futuro de estas industrias nunca será estático, y sin duda seguiremos presenciando cambios sin precedentes. Y los fabricantes que se adapten rápidamente a estos cambios sin duda cosecharán resultados fructíferos.