پیشرفت در برق‌رسانی SiC با بالا رفتن از یک پلهچگونه نیمه‌رساناهای ما عملکرد خودروها و سایر صنایع را در آینده بهبود خواهند بخشید؟ جان پالمور، مدیر ارشد فناوری شرکت Wolfspeed of Cree

بسیاری از سیستم‌های منبع تغذیه در حال تغییر از فناوری سیلیکون (Si) به فناوری کاربید سیلیکون (SiC) هستند. این بزرگترین تغییری خواهد بود که صنعت نیمه‌هادی قدرت از زمان تغییر نیمه‌هادی دوقطبی به ترانزیستور دوقطبی با گیت عایق (IGBT) در دهه 1980 تجربه خواهد کرد. همزمان با این تحول، بسیاری از صنایع تحت تأثیر آن نیز دوره غیرمعمولی از تحول جامع را تجربه می‌کنند. از صنعت خودرو گرفته تا انرژی خورشیدی، مزایای کاربید سیلیکون (SiC) قابل توجه شده است. در حالی که تغییرات بزرگی را متحمل می‌شوند، همه تولیدکنندگان بزرگ در تلاشند تا کاربید سیلیکون (SiC) را بیشتر در فناوری‌های خود ادغام کنند.

صنعت خودرو نمونه بارزی از تغییرات بی‌سابقه در صنعت مدرن است. در دهه آینده، صنعت خودرو از موتور احتراق داخلی به الکتریکی‌سازی تغییر خواهد کرد. تغییر از سیلیکون (Si) به کاربید سیلیکون (SiC) نقش مهمی در کمک به خودروهای الکتریکی برای برآورده کردن نیازهای مصرف‌کنندگان ایفا می‌کند و در عین حال، می‌تواند مقررات دولتی در مورد تأثیر تغییرات اقلیمی را برآورده کند. راه‌حل‌های کاربید سیلیکون (SiC) با بالا رفتن از پله‌ها به خودروهای الکتریکی کمک می‌کنند و برنامه‌هایی مانند زیرساخت شارژ سریع، اینورتر درایو و منبع تغذیه را ارتقا می‌دهند و پیشرفت ارتباطات از راه دور و کاربردهای هوافضا را ارتقا می‌دهند.

شکل 1. کارکنان کری در آزمایشگاه

فرصت خودروی برقی

با افزایش تقاضای مصرف‌کنندگان و تشدید مقررات دولتی، تولیدکنندگان خودرو مانند تسلا، فورد و فولکس واگن اعلام کردند که در دهه آینده بیش از 300 میلیارد دلار در خودروهای برقی سرمایه‌گذاری خواهند کرد. تحلیلگران پیش‌بینی می‌کنند که تا سال 2030، تعداد خودروهای برقی خالص (BEV) به 15 درصد از کل خودروها خواهد رسید. بنابراین، در چند سال آینده، بازار قطعات کاربید سیلیکون (SiC) برای خودروهای برقی به صورت تصاعدی افزایش خواهد یافت.

برق‌رسانی به قدری مهم است که تولیدکنندگان دیگر نمی‌توانند از مزایای کاربید سیلیکون (SiC) چشم‌پوشی کنند. در مقایسه با فناوری سیلیکون (Si) که در خودروهای الکتریکی سنتی استفاده می‌شود، کاربید سیلیکون (SiC) می‌تواند عمر باتری را افزایش دهد، عملکرد آن را بهبود بخشد و زمان شارژ را کوتاه کند. بنابراین، بسیاری از تأمین‌کنندگان همکاری خود را با کری برای توسعه برنامه‌های خودروهای الکتریکی اعلام کرده‌اند. به عنوان مثال، Delphi Technologies در حال توسعه یک سیستم اینورتر کارآمدتر، کوچکتر و سبک‌تر با استفاده از نیمه‌هادی کاربید سیلیکون (SiC) است، در حالی که گروه ZF در حال توسعه یک سیستم انتقال قدرت تمام الکتریکی است. گروه ABB در حال توسعه و ارائه سیستم‌های قدرت مختلف با استفاده از کاربید سیلیکون (SiC) است.

بهبود کارایی

تلفات سوئیچینگ کاربید سیلیکون (SiC) بسیار کمتر از IGBT مبتنی بر سیلیکون (Si) است. علاوه بر این، دستگاه کاربید سیلیکون ولتاژ داخلی ندارد و تلفات هدایت آن به وضوح کم است. بنابراین، کاربید سیلیکون (SiC) چگالی توان بالاتر، وزن سبک‌تر و فرکانس کاری بالاتری دارد. در یک آزمایش اخیر خودرو، در مقایسه با سیلیکون (Si)، فناوری کاربید سیلیکون (SiC) شرکت کری، تلفات اینورتر را حدود 78 درصد کاهش داد. در بخش خودرو، این بهبودهای بهره‌وری را می‌توان در راه‌حل‌های سیستم انتقال قدرت، مبدل‌های برق و شارژر غیر-آن-بورد و شارژر-آن-بورد اعمال کرد. در مقایسه با راه‌حل‌های سنتی مبتنی بر سیلیکون (Si)، کاربید سیلیکون (SiC) می‌تواند راندمان کلی خودروهای الکتریکی را 5 تا 10 درصد بهبود بخشد. تولیدکنندگان می‌توانند از این امر برای افزایش برد پیمایش یا کاهش استفاده از باتری‌های حجیم و گران‌قیمت استفاده کنند.

علاوه بر این، کاربید سیلیکون (SiC) می‌تواند نیاز به خنک‌کننده را کاهش دهد، در فضا صرفه‌جویی کند و وزن آن نسبت به طرح مبتنی بر سیلیکون (Si) سبک‌تر است. کاربید سیلیکون (SiC) همچنین می‌تواند از شارژرهای سریع پشتیبانی کند و عمر باتری را می‌توان پس از شارژ به مدت ۵ دقیقه در حال حاضر، ۷۵ مایل افزایش داد.

کاهش مداوم هزینه راه‌حل‌های کاربید سیلیکون (SiC) منجر به افزایش بیشتر نرخ پذیرش آن شده است. با در نظر گرفتن خودروها به عنوان مثال، ما تخمین می‌زنیم که ارزش اجزای کاربید سیلیکون (SiC) مورد استفاده در یک وسیله نقلیه الکتریکی حدود ۲۵۰ تا ۵۰۰ دلار (بسته به نیاز برق آن) است. کل هزینه صرفه‌جویی شده توسط تولیدکنندگان خودرو از نظر هزینه باتری، حجم و وزن باتری‌ها و اینورترها و نیازهای خنک‌کننده هر وسیله نقلیه الکتریکی می‌تواند تا ۲۰۰۰ دلار باشد. اگرچه عوامل زیادی باعث تغییر از سیلیکون (Si) به کاربید سیلیکون (SiC) می‌شوند، اما این کلید ماجرا است.

خارج از صنعت خودرو

تقاضای صنعت خودرو حدود نیمی از فرصت 9 میلیارد دلاری کری برای کاربید سیلیکون (SiC) را تشکیل می‌دهد، در حالی که زمینه‌های انرژی خورشیدی، هوافضا و زیرساخت‌های ارتباطی محرک‌های اصلی سایر تقاضاها هستند. طبق پیش‌بینی اخیر شرکت Canaccord Genuity، تا سال 2030، تقاضا برای کاربید سیلیکون (SiC) از 20 میلیارد دلار فراتر خواهد رفت.

شکل 2. ماسفت کری 650 ولت

دستگاه‌های برق سیلیکون کاربید (SiC) همچنین می‌توانند به شرکت‌های صنعتی و انرژی کمک کنند تا میزان استفاده از برق و فضا را به حداکثر برسانند. سیلیکون کاربید (SiC) منبع تغذیه صنعتی با فرکانس بالا و منبع تغذیه بدون وقفه را با راندمان بالاتر، چگالی توان بالاتر و وزن سبک‌تر ارائه می‌دهد. مزایای SiC بسیار بیشتر از هزینه آن است.

در این حوزه‌ها، راندمان بالاتر به معنای سود بیشتر است. در حوزه الکترونیک قدرت، راندمان کاربید سیلیکون (SiC) بسیار بالاتر از سیلیکون (Si) است و چگالی توان آن سه برابر سیلیکون (Si) است که باعث می‌شود سیستم ولتاژ بالا سبک‌تر، کوچک‌تر، کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر شود. این عملکرد عالی به نقطه انفجار رسیده است و تولیدکنندگان اگر می‌خواهند در بازار فعلی رقابت‌پذیر باقی بمانند، دیگر نمی‌توانند از آن چشم‌پوشی کنند.

آینده نیمه هادی

هزینه، مانع اصلی پذیرش کاربید سیلیکون (SiC) است. با این حال، با بهبود مستمر تولید و تجربه، هزینه آن نیز در حال کاهش است. بنابراین، تولید آن کارآمدتر و اصلاح شده‌تر می‌شود. مهمتر از همه، مشتریان متوجه شده‌اند که ارزش واقعی کاربید سیلیکون (SiC) در سطح سیستم نهفته است، نه در مقایسه با سطح دستگاه. به منظور برآوردن نیازهای صنایع مختلف، تولید کاربید سیلیکون (SiC) بیشتر ارتقا خواهد یافت و تولید همچنان افزایش خواهد یافت، بنابراین قیمت آن همچنان کاهش خواهد یافت. با در نظر گرفتن کری به عنوان مرجع، کری برای برآوردن این نیازها، سرمایه‌گذاری گسترده‌ای انجام داده است، از جمله ساخت کارخانه‌ای در ایالت نیویورک که از فناوری پیشرفته استفاده می‌کند و استانداردهای مقررات خودرو را رعایت می‌کند، که ظرفیت تولید را به بیش از 30 برابر سال 2017 افزایش می‌دهد.

دیگر بحث بر سر این نیست که آیا تحول از سیلیکون (Si) به کاربید سیلیکون (SiC) اتفاق خواهد افتاد یا نه و چه زمانی رخ خواهد داد. ما در حال حاضر در این مرحله هستیم. مشارکت کامل در تغییرات بزرگ بسیاری از صنایع هیجان‌انگیز است. آینده این صنایع هرگز ثابت نخواهد ماند و مطمئناً همچنان شاهد تغییرات بی‌سابقه‌ای خواهیم بود. و تولیدکنندگانی که می‌توانند به سرعت با این تغییرات سازگار شوند، مطمئناً نتایج پرباری به دست خواهند آورد.