Tingkatkan elektrifikasi SiC dengan naik satu tingkat Bagaimana semikonduktor kita akan meningkatkan kinerja otomotif dan industri lainnya di masa depan?John Palmour, Chief Technology Officer dari Wolfspeed of Cree Company

Banyak sistem catu daya beralih dari teknologi silikon (Si) ke teknologi silikon karbida (SiC). Ini akan menjadi perubahan terbesar yang dialami industri semikonduktor daya sejak semikonduktor bipolar beralih ke transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT) pada tahun 1980-an. Bersamaan dengan transformasi ini, banyak industri yang terdampak juga mengalami periode transformasi komprehensif yang tidak biasa. Dari industri otomotif hingga energi surya, keunggulan silikon karbida (SiC) telah terlihat jelas. Sambil mengalami perubahan besar, semua produsen besar berupaya untuk lebih mengintegrasikan silikon karbida (SiC) ke dalam teknologi mereka sendiri.

Industri otomotif merupakan contoh khas perubahan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam industri modern. Dalam dekade berikutnya, industri otomotif akan beralih dari mesin pembakaran internal ke elektrifikasi. Transformasi dari silikon (Si) menjadi silikon karbida (SiC) memainkan peran penting dalam membantu kendaraan listrik memenuhi kebutuhan konsumen, dan pada saat yang sama, dapat memenuhi peraturan pemerintah tentang dampak perubahan iklim. Solusi silikon karbida (SiC) membantu kendaraan listrik "dengan naik satu anak tangga", meningkatkan aplikasi seperti infrastruktur pengisian cepat, inverter penggerak dan catu daya, serta mendorong kemajuan telekomunikasi, dan aplikasi kedirgantaraan.

Gambar 1. Karyawan Cree di laboratorium

Peluang kendaraan listrik

Dengan meningkatnya permintaan konsumen dan menguatnya regulasi pemerintah, produsen mobil seperti Tesla, Ford, dan Volkswagen mengumumkan bahwa mereka akan menginvestasikan lebih dari $300 miliar untuk kendaraan listrik dalam dekade berikutnya. Analis memperkirakan bahwa pada tahun 2030, jumlah kendaraan listrik murni (BEV) akan mencapai 15% dari total jumlah mobil. Oleh karena itu, dalam beberapa tahun ke depan, pasar komponen silikon karbida (SiC) untuk kendaraan listrik akan meningkat secara eksponensial.

Elektrifikasi sangat penting sehingga produsen tidak dapat lagi menutup mata terhadap keunggulan silikon karbida (SiC). Dibandingkan dengan teknologi silikon (Si) yang digunakan dalam kendaraan listrik tradisional, silikon karbida (SiC) dapat meningkatkan masa pakai baterai, meningkatkan kinerjanya, dan mempersingkat waktu pengisian daya. Oleh karena itu, banyak pemasok telah mengumumkan kerja sama mereka dengan Cree untuk mengembangkan rencana kendaraan listrik. Misalnya, Delphi Technologies sedang mengembangkan sistem inverter yang lebih efisien, lebih kecil, dan lebih ringan menggunakan semikonduktor silikon karbida (SiC), sementara ZF Group sedang mengembangkan sistem penggerak listrik sepenuhnya. ABB Group sedang mengembangkan dan menyediakan berbagai sistem tenaga menggunakan silikon karbida (SiC).

Peningkatan efisiensi

Rugi switching silikon karbida (SiC) jauh lebih rendah daripada IGBT berbasis silikon (Si). Selain itu, perangkat silikon karbida tidak memiliki tegangan internal, dan rugi konduksinya pun rendah. Oleh karena itu, silikon karbida (SiC) memiliki kerapatan daya yang lebih tinggi, bobot yang lebih ringan, dan frekuensi operasi yang lebih tinggi. Dalam uji coba mobil baru-baru ini, dibandingkan dengan silikon (Si), teknologi silikon karbida (SiC) Cree mengurangi rugi inverter sekitar 78%. Di sektor otomotif, peningkatan efisiensi ini dapat diterapkan pada solusi powertrain, konverter daya, serta pengisi daya non-on-board dan pengisi daya on-board. Dibandingkan dengan solusi berbasis silikon (Si) tradisional, silikon karbida (SiC) dapat meningkatkan efisiensi keseluruhan kendaraan listrik sebesar 5% hingga 10%. Produsen dapat memanfaatkan hal ini untuk meningkatkan jangkauan jelajah atau mengurangi penggunaan baterai yang besar dan mahal.

Selain itu, silikon karbida (SiC) juga dapat mengurangi kebutuhan pendinginan, menghemat ruang, dan bobotnya lebih ringan daripada skema berbasis silikon (Si). Silikon karbida (SiC) juga dapat memberikan dukungan untuk pengisi daya cepat, dan masa pakai baterai dapat ditingkatkan hingga 75 mil setelah pengisian daya selama 5 menit saat ini.

Penurunan biaya solusi silikon karbida (SiC) yang terus-menerus telah menyebabkan peningkatan lebih lanjut dalam tingkat adopsinya. Mengambil contoh mobil, kami memperkirakan bahwa nilai komponen silikon karbida (SiC) yang digunakan dalam kendaraan listrik adalah sekitar $250 hingga $500 (tergantung pada kebutuhan dayanya). Total biaya yang dihemat oleh produsen mobil dalam hal biaya baterai, volume dan berat baterai dan inverter, serta kebutuhan pendinginan setiap kendaraan listrik dapat mencapai $2,000. Meskipun banyak faktor yang mendorong transformasi dari silikon (Si) menjadi silikon karbida (SiC), ini adalah kuncinya.

Di luar industri otomotif

Permintaan industri otomotif menyumbang sekitar setengah dari peluang silikon karbida (SiC) senilai $9 miliar di Cree, sementara bidang energi surya, kedirgantaraan, dan infrastruktur komunikasi merupakan pendorong utama permintaan lainnya. Menurut perkiraan terkini dari Canaccord Genuity Company, pada tahun 2030, permintaan silikon karbida (SiC) akan melampaui USD 20 miliar.

Gambar 2. MOSFET Cree 650V

Perangkat daya silikon karbida (SiC) juga dapat membantu perusahaan industri dan energi untuk memaksimalkan tingkat pemanfaatan listrik dan ruang. Silikon karbida (SiC) memberikan pasokan daya industri frekuensi tinggi dan pasokan daya tak terputus dengan efisiensi yang lebih tinggi, kepadatan daya yang lebih tinggi, dan bobot yang lebih ringan. Manfaat yang dibawa oleh SiC jauh melebihi biayanya sendiri.

Di bidang ini, efisiensi yang lebih tinggi berarti keuntungan yang lebih tinggi. Di bidang elektronika daya, efisiensi silikon karbida (SiC) jauh lebih tinggi daripada silikon (Si), dan kerapatan dayanya tiga kali lipat dari silikon (Si), yang membuat sistem tegangan tinggi lebih ringan, lebih kecil, lebih efisien, dan lebih hemat biaya. Performa yang luar biasa ini telah mencapai titik puncaknya, dan produsen tidak dapat lagi menutup mata terhadapnya jika mereka ingin tetap kompetitif di pasar saat ini.

Masa depan semikonduktor

Biaya merupakan kendala utama dalam penerapan silikon karbida (SiC). Akan tetapi, seiring dengan peningkatan hasil produksi dan pengalaman yang berkelanjutan, biayanya pun semakin menurun. Oleh karena itu, pembuatannya menjadi lebih efisien dan lebih baik. Yang lebih penting, pelanggan telah menyadari bahwa nilai sebenarnya dari silikon karbida (SiC) terletak pada tingkat sistem, bukan pada perbandingan tingkat perangkat. Untuk memenuhi kebutuhan berbagai industri, pembuatan silikon karbida (SiC) akan semakin ditingkatkan, dan hasil produksinya akan terus meningkat, sehingga harganya akan terus menurun. Dengan mengambil Cree sebagai acuan, Cree telah melakukan investasi berskala besar untuk memenuhi permintaan ini, termasuk pembangunan pabrik di Negara Bagian New York yang mengadopsi teknologi mutakhir dan memenuhi standar peraturan kendaraan, yang akan meningkatkan kapasitas produksi hingga lebih dari 30 kali lipat dari tahun 2017.

Transformasi dari silikon (Si) menjadi silikon karbida (SiC) bukan lagi pertanyaan tentang apakah dan kapan hal itu akan terjadi. Kita sudah mengalaminya. Sungguh mengasyikkan untuk berpartisipasi penuh dalam perubahan besar di banyak industri. Masa depan industri ini tidak akan pernah statis, dan kita tentu akan terus melihat perubahan yang belum pernah terjadi sebelumnya. Dan para produsen yang dapat dengan cepat beradaptasi dengan perubahan ini pasti akan menuai hasil yang memuaskan.