Faire progresser l'électrification du SiC en montant un escalierComment nos semi-conducteurs amélioreront-ils les performances des automobiles et d'autres industries à l'avenir ? John Palmour, directeur de la technologie de Wolfspeed of Cree Company

De nombreux systèmes d'alimentation électrique passent de la technologie silicium (Si) à celle du carbure de silicium (SiC). Il s'agira du plus grand changement que connaîtra l'industrie des semi-conducteurs de puissance depuis le remplacement des semi-conducteurs bipolaires par les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) dans les années 1980. Parallèlement à cette transformation, de nombreux secteurs concernés traversent également une période inhabituelle de transformation profonde. De l'industrie automobile à l'énergie solaire, les avantages du carbure de silicium (SiC) sont devenus évidents. Face à ces profondes mutations, tous les grands fabricants s'efforcent d'intégrer davantage le carbure de silicium (SiC) à leurs propres technologies.

L'industrie automobile est un exemple typique des changements sans précédent de l'industrie moderne. Au cours de la prochaine décennie, elle passera du moteur à combustion interne à l'électrification. La transition du silicium (Si) au carbure de silicium (SiC) joue un rôle important pour aider les véhicules électriques à répondre aux besoins des consommateurs et, parallèlement, à respecter les réglementations gouvernementales sur l'impact du changement climatique. Les solutions en carbure de silicium (SiC) permettent aux véhicules électriques de « gravir un escalier », de moderniser des applications telles que les infrastructures de recharge rapide, les onduleurs et l'alimentation électrique, et de promouvoir le progrès des télécommunications et des applications aérospatiales.

Figure 1. Employés cris dans le laboratoire

Opportunité de véhicule électrique

Face à la demande croissante des consommateurs et au renforcement des réglementations gouvernementales, les constructeurs automobiles tels que Tesla, Ford et Volkswagen ont annoncé un investissement de plus de 300 milliards de dollars dans les véhicules électriques au cours de la prochaine décennie. Les analystes prévoient que d'ici 2030, le nombre de véhicules 15 % électriques (VEB) atteindra XNUMX % du parc automobile. Par conséquent, le marché des composants en carbure de silicium (SiC) pour véhicules électriques connaîtra une croissance exponentielle au cours des prochaines années.

L'électrification est si importante que les constructeurs ne peuvent plus ignorer les avantages du carbure de silicium (SiC). Comparé à la technologie silicium (Si) utilisée dans les véhicules électriques traditionnels, le carbure de silicium (SiC) peut prolonger la durée de vie de la batterie, améliorer ses performances et raccourcir le temps de charge. C'est pourquoi de nombreux fournisseurs ont annoncé leur collaboration avec Cree pour développer des projets de véhicules électriques. Par exemple, Delphi Technologies développe un système d'onduleur plus efficace, plus compact et plus léger utilisant un semi-conducteur en carbure de silicium (SiC), tandis que le groupe ZF développe un groupe motopropulseur 100 % électrique. Le groupe ABB développe et fournit divers systèmes d'alimentation utilisant du carbure de silicium (SiC).

Amélioration de l'efficacité

Les pertes de commutation du carbure de silicium (SiC) sont bien inférieures à celles des IGBT à base de silicium (Si). De plus, le carbure de silicium (SiC) n'a pas de tension intégrée et ses pertes de conduction sont manifestement faibles. Par conséquent, le carbure de silicium (SiC) présente une densité de puissance plus élevée, un poids plus léger et une fréquence de fonctionnement plus élevée. Lors d'un récent test automobile, la technologie au carbure de silicium (SiC) de Cree a réduit les pertes de l'onduleur d'environ 78 % par rapport au silicium (Si). Dans le secteur automobile, ces améliorations d'efficacité peuvent être appliquées aux solutions de groupe motopropulseur, aux convertisseurs de puissance, aux chargeurs embarqués et non embarqués. Comparé aux solutions traditionnelles à base de silicium (Si), le carbure de silicium (SiC) peut améliorer l'efficacité globale des véhicules électriques de 5 à 10 %. Les constructeurs peuvent utiliser cela pour augmenter l'autonomie ou réduire l'utilisation de batteries encombrantes et coûteuses.

De plus, le carbure de silicium (SiC) permet de réduire les besoins de refroidissement, de gagner de la place et d'être plus léger que les solutions à base de silicium (Si). Il peut également prendre en charge les chargeurs rapides, et l'autonomie de la batterie peut être augmentée de 75 km après une charge de 5 minutes.

La baisse continue du coût des solutions en carbure de silicium (SiC) a entraîné une nouvelle augmentation de leur taux d'adoption. Prenons l'exemple de l'automobile : nous estimons que la valeur des composants en carbure de silicium (SiC) utilisés dans un véhicule électrique est d'environ 250 à 500 $ (selon les besoins en énergie). Les économies totales réalisées par les constructeurs automobiles sur le coût des batteries, le volume et le poids des batteries et des onduleurs, ainsi que les besoins en refroidissement de chaque véhicule électrique, peuvent atteindre 2,000 XNUMX $. Bien que de nombreux facteurs motivent la transition du silicium (Si) au carbure de silicium (SiC), celui-ci est essentiel.

Hors secteur automobile

La demande de l'industrie automobile représente environ la moitié des 9 milliards de dollars de carbure de silicium (SiC) de Cree, tandis que les secteurs de l'énergie solaire, de l'aérospatiale et des infrastructures de communication sont les principaux moteurs des autres demandes. Selon les récentes prévisions de Canaccord Genuity Company, la demande de carbure de silicium (SiC) dépassera les 2030 milliards de dollars d'ici 20.

Figure 2. MOSFET Cree 650 V

Les dispositifs de puissance en carbure de silicium (SiC) peuvent également aider les entreprises industrielles et énergétiques à optimiser l'utilisation de l'électricité et de l'espace. Le carbure de silicium (SiC) confère aux alimentations industrielles haute fréquence et aux systèmes d'alimentation sans interruption un rendement supérieur, une densité de puissance plus élevée et un poids plus léger. Les avantages du SiC dépassent largement son coût.

Dans ces domaines, une meilleure efficacité est synonyme de profits plus élevés. Dans le domaine de l'électronique de puissance, le carbure de silicium (SiC) présente un rendement bien supérieur à celui du silicium (Si) et sa densité de puissance est trois fois supérieure à celle du silicium (Si), ce qui rend les systèmes haute tension plus légers, plus compacts, plus efficaces et plus rentables. Ces excellentes performances ont atteint un niveau explosif, et les fabricants ne peuvent plus les ignorer s'ils veulent rester compétitifs sur le marché actuel.

L'avenir des semi-conducteurs

Le coût est le principal obstacle à l'adoption du carbure de silicium (SiC). Cependant, grâce à l'amélioration continue de la production et à l'expérience acquise, son coût diminue également. Sa fabrication gagne ainsi en efficacité et en précision. Plus important encore, les clients ont compris que la véritable valeur du carbure de silicium (SiC) réside dans le système, plutôt que dans la comparaison au niveau du dispositif. Afin de répondre aux besoins de diverses industries, la production de carbure de silicium (SiC) sera davantage encouragée, la production continuera d'augmenter, entraînant ainsi une baisse continue de son prix. Prenant Cree comme référence, Cree a réalisé d'importants investissements pour répondre à cette demande, notamment la construction d'une usine dans l'État de New York, dotée de technologies de pointe et conforme aux normes automobiles, ce qui permettra de multiplier sa capacité de production par plus de 30 par rapport à 2017.

La transition du silicium (Si) au carbure de silicium (SiC) n'est plus une question de savoir si et quand elle aura lieu. Nous y sommes déjà. Il est passionnant de participer pleinement aux grandes mutations de nombreux secteurs. L'avenir de ces industries ne sera jamais figé, et nous continuerons certainement à assister à des changements sans précédent. Et les fabricants qui sauront s'adapter rapidement à ces changements en récolteront certainement les fruits.