Quali sono i vantaggi del carburo di silicio rispetto al silicio?

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L’elettricità si sta sviluppando verso materiali a banda larga (WBG) come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). Sebbene il silicio domini ancora il mercato, i dispositivi SiC e GaN daranno presto vita a una nuova generazione di soluzioni tecniche più efficienti.Secondo Yole Dé, un'organizzazione di ricerche di mercato con sede in Francia; Veloppement stima che entro il 2025 i ricavi dei dispositivi SiC rappresenteranno oltre il 10% del mercato complessivo dell'elettronica di potenza e i ricavi dei dispositivi GaN supereranno il 2%.Tra i fornitori più noti di componenti SiC figurano stmicroelectronics (ST), Cree/Wolfspeed, Roma, Infineon, On Semiconductor e Mitsubishi Electric.Cree ha introdotto il primo portafoglio commerciale di MOSFET di potenza SiC da 900 V e MOSFET SiC da 650 V Wolfspeed; Microchip e ROHM hanno entrambi rilasciato MOSFET e diodi SiC; Feiling ha introdotto otto dispositivi MOSFET CoolSiC da 650 V. . .. . Da ciò si può vedere che tutti i principali produttori hanno il proprio layout e strategie di sviluppo nei materiali SiC.Qual è il vantaggio prestazionale del carburo di silicio rispetto al silicio?Il silicio è stato per lungo tempo il materiale semiconduttore chiave nella maggior parte delle applicazioni elettroniche, ma rispetto al SiC è inefficiente. Al giorno d’oggi, il SiC è stato adottato da molte applicazioni, in particolare dai veicoli elettrici, per affrontare le sfide energetiche e di costo legate allo sviluppo di dispositivi ad alta efficienza e ad alta potenza.Il SiC è composto da silicio puro e carbonio. Rispetto al silicio, il SiC presenta tre vantaggi: maggiore intensità del campo di rottura critica a valanga, maggiore conduttività termica e intervallo di banda più ampio.Il SiC ha un'ampia banda proibita di 3 elettronvolt (eV) e può sopportare un gradiente di tensione 8 volte maggiore di quello del silicio senza rottura a valanga. Quanto più ampio è il gap di banda, tanto minore è la corrente di dispersione ad alta temperatura e tanto maggiore è l'efficienza. Maggiore è la conduttività termica, maggiore è la densità di corrente.

Figura 1: Vantaggi prestazionali del carburo di silicio rispetto al silicio

Il substrato di SiC ha un'intensità del campo elettrico più elevata, quindi è possibile utilizzare una struttura di base più sottile e il suo spessore può essere solo un decimo di quello dello strato epitassiale di silicio. Inoltre, la concentrazione di drogaggio del SiC è 2 volte superiore a quella del silicio, quindi la resistenza superficiale del dispositivo è ridotta e anche la perdita di conduzione è significativamente ridotta.Il SiC è stato riconosciuto come una tecnologia in grado di sostituire in modo affidabile il silicio. Molti produttori di moduli di potenza e inverter di potenza hanno pianificato di utilizzare la tecnologia SiC nelle loro future roadmap di prodotti.Questa tecnologia ad ampio gap di banda riduce notevolmente le perdite di commutazione e di conduzione sotto carichi specifici, migliora la gestione della dissipazione del calore e fornisce un'efficienza energetica senza precedenti. Nei sistemi elettronici di potenza, la progettazione della dissipazione del calore è molto importante, in quanto può garantire un'elevata densità di energia e ridurre le dimensioni del circuito. In queste applicazioni, il SiC è un materiale semiconduttore ideale perché la sua conduttività termica è tre volte quella del semiconduttore al silicio.La tecnologia SiC è adatta per progetti ad alta potenza, come motori, driver e inverter. I produttori di driver elettrici stanno sviluppando nuovi circuiti di pilotaggio per soddisfare la richiesta dei convertitori di una frequenza di commutazione più elevata e adottando una topologia più complessa e ingegnosa per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI).I dispositivi SiC richiedono meno componenti esterni, un layout di sistema più affidabile e costi di produzione inferiori. Grazie all'efficienza più elevata, alle dimensioni complessive più ridotte e al peso più leggero, i requisiti di raffreddamento del design intelligente sono corrispondentemente ridotti.Applicazione del carburo di silicio

Auto elettrica/auto ibrida

Numerosi produttori di automobili hanno preso l’iniziativa di introdurre sul mercato veicoli ibridi ed elettrici utilizzando nuovi concetti di potenza. Questi veicoli contengono nuovi dispositivi e sistemi, come convertitori di frequenza (fino a 300 kW) per l'alimentazione dei motori, caricabatterie per veicoli da 3.6 kW a 22 kW, caricabatterie a induzione da 3.6 kW a 22 kW (ricarica wireless), convertitori DC/DC fino a 5 kW e inverter per carichi ausiliari come condizionatori d'aria e sistemi di servosterzo.Le batterie ad alta tensione rappresentano uno dei principali ostacoli allo sviluppo di veicoli ibridi ed elettrici. Utilizzando il SiC, i produttori di automobili possono ridurre le dimensioni delle batterie e il costo totale dei veicoli elettrici.Inoltre, poiché il SiC ha buone prestazioni di dissipazione del calore, i produttori possono anche ridurre i costi di raffreddamento dei dispositivi del gruppo propulsore. Ciò aiuta a ridurre il peso e il costo dei veicoli elettrici.Anche i veicoli elettrici/ibridi rappresentano uno dei mercati chiave strategici del SiC per Anson Semiconductor. All'incontro online di scambio mediatico "Strategia e schema del carburo di silicio di Anson Semiconductor" tenutosi di recente, Wang Limin, responsabile marketing del prodotto del dipartimento di schemi di alimentazione dell'azienda, ha dichiarato:Il veicolo elettrico è una delle principali forze trainanti del carburo di silicio, rappresentando circa il 60% della capacità totale del mercato del carburo di silicio. I dispositivi in carburo di silicio utilizzati nella trasmissione principale, OBC e DC-DC possono migliorare notevolmente l'efficienza, quindi possono aumentare la resistenza dei veicoli elettrici. Sulla base di questi vantaggi, attualmente, quasi tutti i produttori di inverter di azionamento principale utilizzano il carburo di silicio come direzione di azionamento principale.

Figura 2: Il veicolo elettrico è una delle principali forze trainanti del carburo di silicio.

Il caricabatterie del veicolo contiene vari dispositivi di conversione di potenza, come diodi e MOSFET. Il suo obiettivo è ridurre il volume dei circuiti elettronici di potenza utilizzando componenti passivi di piccole dimensioni, in modo da integrarli tutti insieme.Questo obiettivo può essere raggiunto se i dispositivi a semiconduttore utilizzati possono essere controllati nello stesso circuito con un'elevata frequenza di commutazione. Tuttavia, a causa delle scarse prestazioni di dissipazione del calore del silicio, la soluzione ad alta frequenza di commutazione non è adatta. Il MOSFET SiC rappresenta la soluzione ideale per tali applicazioni.Attualmente, la maggior parte dei produttori di OBC e DC-DC utilizzano dispositivi al carburo di silicio come dispositivi di potenza ad alta efficienza, alta tensione e alta frequenza.Wang Limin, ad esempio,La California ha firmato un ordine esecutivo per raggiungere l’obiettivo di 5 milioni di veicoli elettrici sulle strade entro il 2030;L’Europa ha anche un calendario per tutti i veicoli elettrici per sostituire i veicoli a carburante;Nelle principali città cinesi di primo livello, i veicoli elettrici possono essere immatricolati gratuitamente.Tutte queste politiche hanno promosso la crescita sostanziale dei veicoli elettrici e la domanda di veicoli elettrici per dispositivi ad alta tensione, alta frequenza e alta efficienza ha anche promosso la crescita sostanziale del mercato del carburo di silicio.Alimentazione 5G e alimentatore switchingIl settore degli alimentatori 5G e degli alimentatori a commutazione (SMPS) è il secondo mercato strategico del carburo di silicio per Anson Semiconductor.Il campo tradizionale degli alimentatori a commutazione è Boost e l'alimentatore ad alta tensione, che ha sempre avuto requisiti elevati di densità di potenza. Dai primi standard gold e silver standard di alimentazione per le comunicazioni fino all’attuale alimentatore per comunicazioni 5G e all’alimentatore per data center cloud, tutti questi hanno elevati requisiti di elevata efficienza energetica."I dispositivi in carburo di silicio non hanno recupero inverso, il che rende l'alimentazione efficiente dal punto di vista energetico, che può raggiungere il 98%. E gli alimentatori 5G rappresentano attualmente il mercato più tradizionale e relativamente ampio dei dispositivi in carburo di silicio. " Wang Limin ha detto.

Figura 3: Il carburo di silicio può essere utilizzato nell'alimentatore 5G e nell'alimentatore switching.

Pila di ricarica per veicoli elettriciAnche la pila di ricarica per veicoli elettrici è uno dei nostri mercati strategici per il carburo di silicio. Esistono molti schemi per caricare le pile e ora i consumatori sono più interessati alla ricarica rapida CC.La pila di ricarica con ricarica CC rapida necessita di una potenza di carica molto elevata e di un'efficienza di carica molto elevata, tutte condizioni che devono essere realizzate mediante alta tensione.Nell'applicazione della pila di ricarica per veicoli elettrici, indipendentemente dal fatto che il carburo di silicio sia nel diodo Boost o in quello di uscita, esistono molti schemi di pila di ricarica con MOSFET al carburo di silicio che utilizzano l'interruttore principale e le loro prospettive di applicazione sono molto ampie.

Figura 4: Anche la pila di ricarica per veicoli elettrici è un campo di applicazione del carburo di silicio.

Inverter solare

Anche nel campo degli inverter solari, l'utilizzo del diodo al carburo di silicio è molto diffuso. L'installazione di inverter solari continua ad aumentare ogni anno e si stima che il 15% dell'energia (attualmente l'1%) proverrà dall'energia solare nei prossimi 10~15 anni. L’energia solare è gratuita e inesauribile. Sono state introdotte politiche nazionali e gli individui possono vendere energia solare alla rete statale."Il semiconduttore al carburo di silicio può essere applicato al Boost dell'inverter solare. Con l'ottimizzazione dei costi degli inverter solari, molti produttori utilizzeranno il MOSFET al carburo di silicio come dispositivo inverter principale per sostituire il complesso circuito di controllo a tre livelli (inverter) originale. Wang Limin ha affermato: "In termini di orientamento politico, l'UE ha un obiettivo 20-20-20, ovvero entro il 2020 l'efficienza energetica sarà aumentata del 20%, le emissioni di biossido di carbonio saranno ridotte del 20% e le energie rinnovabili raggiungerà il 20%. La NEA ha inoltre fissato un obiettivo di energia pulita per soddisfare il 20% della domanda energetica della Cina entro il 2030”.

Figura 5: Applicazione del carburo di silicio nell'inverter solare

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L'affidabilità a lungo termine è diventata il simbolo del MOSFET SiC. Il prossimo compito dei produttori di semiconduttori sarà quello di sviluppare moduli di potenza multi-chip o moduli ibridi, integrando i tradizionali transistor al silicio e diodi SiC nello stesso dispositivo fisico. Con una tensione di rottura più elevata, questi moduli possono funzionare a temperature più elevate. Possono anche fornire un'elevata efficienza riducendo ulteriormente le dimensioni delle apparecchiature.Dal punto di vista dell'attuale prezzo di mercato, il MOSFET in SiC presenta un vantaggio a livello di sistema rispetto agli IGBT in silicio. Inoltre, con l'ampia diffusione della produzione di wafer da 150 mm, si prevede che il prezzo del MOSFET in SiC continuerà a scendere.Alcuni produttori hanno iniziato a produrre wafer da 200 mm (8 pollici). Con l'aumento delle dimensioni del wafer, il costo per stampo diminuirà, ma anche la resa potrebbe diminuire. Pertanto, i produttori devono migliorare costantemente i propri processi.Tuttavia, a causa degli elevati costi di produzione dei dispositivi SiC e della mancanza di produzione di massa, è difficile che vengano ampiamente utilizzati. La produzione di massa di dispositivi SiC richiede un'architettura e un processo di produzione robusti e ben progettati. Ad esempio, nei test sui wafer, i dispositivi testati devono essere di dimensioni più piccole e funzionare in un intervallo di corrente e tensione più elevato.Una volta risolti questi problemi, i progettisti OEM adotteranno più dispositivi SiC, sfrutteranno appieno le loro buone caratteristiche elettriche, ridurranno notevolmente i costi del sistema e miglioreranno l'efficienza complessiva.

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