Source: This article comes from John Palmour, chief technical officer of Wolfspeed, Cree.

De nombreux systèmes électriques passent de la technologie du silicium (Si) à celle du carbure de silicium (SiC). Il s'agit du changement le plus important qu'ait connu l'industrie des semi-conducteurs de puissance depuis la transition des semi-conducteurs bipolaires aux transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) dans les années 1980. Cette transition intervient à un moment où nombre des secteurs concernés traversent une période de transformation profonde et sans précédent. De l'automobile à l'énergie solaire, les avantages du carbure de silicium (SiC) sont devenus incontournables. Face à ces mutations majeures, tous les acteurs clés s'efforcent d'intégrer davantage le carbure de silicium (SiC) à leurs technologies.

L'industrie automobile illustre parfaitement les transformations sans précédent que connaît une industrie moderne. Au cours de la prochaine décennie, elle passera des moteurs à combustion interne à l'électrification. La conversion du silicium (Si) en carbure de silicium (SiC) joue un rôle essentiel dans l'amélioration de l'efficacité des véhicules électriques, permettant ainsi de répondre aux exigences des consommateurs tout en respectant les réglementations gouvernementales relatives au changement climatique. Les solutions à base de carbure de silicium (SiC) contribuent à propulser les véhicules électriques vers de nouveaux sommets, en optimisant des applications telles que les infrastructures de recharge rapide, les convertisseurs et les alimentations, et en favorisant les progrès dans des secteurs comme les télécommunications, la défense et l'aérospatiale.

Figure 1. Employés cris au laboratoire

opportunités offertes par les véhicules électriques

Des constructeurs automobiles tels que Tesla, Ford et Volkswagen ont annoncé leur intention d'investir plus de 300 milliards de dollars dans les véhicules électriques au cours de la prochaine décennie, face à une demande croissante des consommateurs et à un durcissement des réglementations. Les analystes prévoient que les véhicules électriques à batterie (VEB) représenteront 15 % du parc automobile d'ici 2030. Par conséquent, le marché des composants en carbure de silicium (SiC) pour véhicules électriques connaîtra une croissance exponentielle dans les années à venir.

Face à l'électrification croissante, les constructeurs ne peuvent plus ignorer les avantages du carbure de silicium (SiC). Ce matériau augmente l'autonomie des batteries, améliore leurs performances et réduit les temps de charge par rapport à la technologie du silicium (Si) utilisée dans les véhicules électriques conventionnels. De ce fait, de nombreux équipementiers ont annoncé des initiatives en matière de véhicules électriques avec Cree. Delphi Technologies, par exemple, développe des systèmes d'onduleurs plus efficaces, plus compacts et plus légers grâce à l'utilisation de semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC), tandis que le groupe ZF développe des groupes motopropulseurs entièrement électriques. Le groupe ABB, quant à lui, développe et fournit divers systèmes d'alimentation à base de carbure de silicium (SiC).

Amélioration de l'efficacité

Le carbure de silicium (SiC) présente des pertes de commutation bien inférieures à celles des IGBT à base de silicium (Si). De plus, les dispositifs en carbure de silicium sont dépourvus de tension interne et leurs pertes par conduction sont considérablement réduites. Par conséquent, le carbure de silicium (SiC) offre une densité de puissance plus élevée, est plus léger et fonctionne à des fréquences plus élevées. Lors d'un récent test automobile, la technologie SiC de Cree a permis de réduire les pertes de l'onduleur d'environ 78 % par rapport au silicium (Si).

Dans le secteur automobile, ces gains d'efficacité peuvent être mis à profit dans les groupes motopropulseurs, les convertisseurs de puissance et les chargeurs embarqués et externes. Le carbure de silicium (SiC) permet d'accroître l'efficacité globale des véhicules électriques de 5 à 10 % par rapport aux solutions traditionnelles à base de silicium (Si). Les constructeurs peuvent ainsi augmenter l'autonomie ou réduire le besoin de batteries volumineuses et coûteuses. De plus, le carbure de silicium (SiC) réduit les besoins en refroidissement, permet un gain de place et est plus léger que les solutions à base de silicium (Si). Le carbure de silicium (SiC) alimente également les chargeurs rapides, qui permettent actuellement de récupérer 75 kilomètres d'autonomie en seulement 5 minutes.

La baisse continue du coût des solutions en carbure de silicium (SiC) a entraîné une adoption accrue. Prenons l'exemple des automobiles : nous estimons que les composants en carbure de silicium (SiC) utilisés dans un véhicule électrique représentent une valeur d'environ 250 à 500 $ (selon ses besoins énergétiques). Les économies totales réalisées par les constructeurs automobiles sur le coût des batteries, la taille et le poids des batteries et des onduleurs, ainsi que sur les besoins en refroidissement, peuvent atteindre 2 000 $ par véhicule électrique. Bien que de nombreux autres facteurs contribuent à la transition du silicium (Si) au carbure de silicium (SiC), ce point est essentiel.

En dehors de l'industrie automobile

La demande du secteur automobile représente environ la moitié des 9 milliards de dollars d'opportunités que Cree pourrait saisir grâce au carbure de silicium (SiC), tandis que les secteurs solaire, aérospatial et de la défense, ainsi que les infrastructures de communication, constituent d'autres moteurs importants de cette demande. Selon les estimations récentes de Canaccord Genuity, la demande de carbure de silicium (SiC) dépassera les 20 milliards de dollars d'ici 2030.

图2. MOSFET Cree 650 V

Les composants de puissance en carbure de silicium (SiC) permettent aux entreprises industrielles et énergétiques d'optimiser l'utilisation de l'énergie et de l'espace. Le carbure de silicium (SiC) confère aux alimentations industrielles haute fréquence et aux alimentations sans interruption une efficacité accrue, une densité de puissance supérieure et un poids réduit. Les avantages du carbure de silicium (SiC) dépassent largement son coût. Dans ces secteurs, une efficacité accrue se traduit par une rentabilité accrue.

Dans le domaine de l'électronique de puissance, le carbure de silicium (SiC) est bien plus performant que le silicium (Si) et offre une densité de puissance trois fois supérieure, ce qui permet de concevoir des systèmes haute tension plus légers, plus compacts, plus efficaces et plus économiques. Cette performance exceptionnelle a atteint un point critique et les fabricants ne peuvent plus l'ignorer s'ils veulent rester compétitifs sur le marché actuel.

L'avenir des semi-conducteurs

Le coût a longtemps constitué un frein majeur à l'adoption du carbure de silicium (SiC). Cependant, à mesure que la production et l'expérience augmentent, ses coûts continuent de diminuer. Par conséquent, sa fabrication est devenue plus efficace et plus performante. De plus, les clients prennent conscience que la véritable valeur du carbure de silicium (SiC) réside dans la comparaison des systèmes plutôt que des composants individuels. Afin de répondre aux besoins des différentes industries, la fabrication du carbure de silicium (SiC) va encore s'améliorer, la production continuera de croître et son prix continuera de baisser. À titre d'exemple, Cree a réalisé d'importants investissements pour répondre à ces besoins, notamment la construction d'une usine dans l'État de New York. Cette usine utilise une technologie de pointe et répond aux normes automobiles, ce qui permettra de multiplier par plus de 30 la capacité de production par rapport à 2017.

La transition du silicium (Si) au carbure de silicium (SiC) n'est plus une question de savoir si elle aura lieu, mais bien une réalité. Il est passionnant de participer pleinement aux transformations majeures qui affectent de nombreux secteurs. L'avenir de ces industries est résolument dynamique et nous continuerons sans aucun doute d'assister à des changements sans précédent. Les fabricants qui sauront s'adapter rapidement à ces évolutions en récolteront les fruits.

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