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

Molti sistemi di alimentazione stanno passando dalla tecnologia al silicio (Si) a quella al carburo di silicio (SiC). Questo rappresenterà il più grande cambiamento che l'industria dei semiconduttori di potenza abbia vissuto dai tempi della transizione dai semiconduttori bipolari ai transistor bipolari a gate isolato (IGBT) negli anni '1980. Questa transizione si verifica in un momento in cui molti dei settori interessati stanno attraversando un periodo di profonda trasformazione. Dall'industria automobilistica all'energia solare, i vantaggi del carburo di silicio (SiC) sono diventati innegabili. Pur essendo in fase di cambiamento significativo, tutti i principali attori del settore stanno lavorando per integrare ulteriormente il carburo di silicio (SiC) nelle proprie tecnologie.

L'industria automobilistica è un esempio lampante di settore moderno in fase di trasformazione senza precedenti. Nel prossimo decennio, il settore automobilistico passerà dai motori a combustione interna all'elettrificazione. La conversione del silicio (Si) in carburo di silicio (SiC) gioca un ruolo fondamentale nel rendere i veicoli elettrici più efficienti, in modo da soddisfare le esigenze dei consumatori e al contempo rispettare le normative governative in materia di lotta al cambiamento climatico. Le soluzioni basate sul carburo di silicio (SiC) stanno contribuendo a portare i veicoli elettrici "a un livello superiore", migliorando applicazioni come le infrastrutture di ricarica rapida, gli inverter e gli alimentatori, e consentendo progressi in settori quali le telecomunicazioni, il settore militare e quello aerospaziale.

Figura 1. Dipendenti Cree in laboratorio

Opportunità offerte dai veicoli elettrici

Case automobilistiche come Tesla, Ford e Volkswagen hanno annunciato piani di investimento per oltre 300 miliardi di dollari nei veicoli elettrici nel prossimo decennio, in risposta alla crescente domanda dei consumatori e all'inasprimento delle normative governative. Gli analisti prevedono che i veicoli elettrici a batteria (BEV) rappresenteranno il 15% del parco auto entro il 2030. Di conseguenza, il mercato dei componenti in carburo di silicio (SiC) per veicoli elettrici crescerà esponenzialmente nei prossimi anni.

Con la crescente enfasi sull'elettrificazione, i produttori non possono più ignorare i vantaggi del carburo di silicio (SiC). Rispetto alla tecnologia al silicio (Si) utilizzata nei veicoli elettrici convenzionali, il carburo di silicio (SiC) aumenta l'autonomia delle batterie, ne migliora le prestazioni e riduce i tempi di ricarica. Di conseguenza, molti fornitori hanno annunciato iniziative nel settore dei veicoli elettrici in collaborazione con Cree. Delphi Technologies, ad esempio, sta sviluppando sistemi di inverter più efficienti, compatti e leggeri utilizzando semiconduttori al carburo di silicio (SiC), mentre ZF Group sta sviluppando propulsori completamente elettrici. Anche ABB Group sta sviluppando e fornendo diversi sistemi di alimentazione basati sul carburo di silicio (SiC).

Miglioramento dell'efficienza

Il carburo di silicio (SiC) presenta perdite di commutazione molto inferiori rispetto agli IGBT a base di silicio (Si). Inoltre, i dispositivi al carburo di silicio non hanno una tensione intrinseca e le loro perdite di conduzione sono significativamente inferiori. Di conseguenza, il carburo di silicio (SiC) ha una maggiore densità di potenza, è più leggero e opera a frequenze più elevate. In un recente test automobilistico, la tecnologia al carburo di silicio (SiC) di Cree ha ridotto le perdite dell'inverter di circa il 78% rispetto al silicio (Si).

Nel settore automobilistico, questi miglioramenti in termini di efficienza possono essere impiegati nelle soluzioni per la trasmissione, nei convertitori di potenza e nei caricabatterie, sia a bordo che a terra. Il carburo di silicio (SiC) può aumentare l'efficienza complessiva dei veicoli elettrici dal 5% al ​​10% rispetto alle tradizionali soluzioni a base di silicio (Si). I produttori possono sfruttare questa caratteristica per aumentare l'autonomia o ridurre la necessità di batterie ingombranti e costose. Inoltre, il carburo di silicio (SiC) riduce le esigenze di raffreddamento, consente di risparmiare spazio ed è più leggero rispetto alle soluzioni a base di silicio (Si). Il carburo di silicio (SiC) alimenta anche i caricabatterie rapidi, che attualmente aumentano l'autonomia di 120 km (75 miglia) in soli 5 minuti.

Il continuo calo dei costi delle soluzioni in carburo di silicio (SiC) ha portato a un ulteriore aumento della loro adozione. Prendendo come esempio le automobili, stimiamo che i componenti in carburo di silicio (SiC) utilizzati in un veicolo elettrico abbiano un valore compreso tra 250 e 500 dollari (a seconda del fabbisogno energetico). Il risparmio totale per le case automobilistiche in termini di costi delle batterie, dimensioni e peso di batterie e inverter, e requisiti di raffreddamento può arrivare fino a 2,000 dollari per veicolo elettrico. Sebbene siano molti gli altri fattori che guidano la transizione dal silicio (Si) al carburo di silicio (SiC), questo punto è fondamentale.

Al di fuori dell'industria automobilistica

La domanda proveniente dall'industria automobilistica rappresenta circa la metà del potenziale di Cree, stimato in 9 miliardi di dollari, per il carburo di silicio (SiC), mentre i settori dell'energia solare, aerospaziale e della difesa, e delle infrastrutture di comunicazione sono altri importanti motori della domanda. Secondo recenti stime di Canaccord Genuity, la domanda di carburo di silicio (SiC) supererà i 20 miliardi di dollari entro il 2030.

图2. MOSFET Cree da 650 V

I dispositivi di potenza al carburo di silicio (SiC) aiutano le aziende industriali ed energetiche a massimizzare l'utilizzo di energia e spazio. Il carburo di silicio (SiC) conferisce agli alimentatori industriali ad alta frequenza e ai gruppi di continuità (UPS) maggiore efficienza, maggiore densità di potenza e peso ridotto, e i vantaggi del carburo di silicio (SiC) superano di gran lunga il suo costo. In questi settori, una maggiore efficienza si traduce in maggiori profitti.

Nel campo dell'elettronica di potenza, il carburo di silicio (SiC) è molto più efficiente del silicio (Si) e ha una densità di potenza tre volte superiore, rendendo i sistemi ad alta tensione più leggeri, più piccoli, più efficienti e più economici. Queste prestazioni superiori hanno raggiunto un punto di svolta e i produttori non possono più ignorarle se vogliono rimanere competitivi nel mercato attuale.

Il futuro dei semiconduttori

In passato, il costo ha rappresentato un ostacolo importante all'adozione del carburo di silicio (SiC). Tuttavia, con l'aumento della produzione e l'esperienza acquisita, i costi continuano a diminuire. Di conseguenza, anche la produzione è diventata più efficiente e raffinata. Inoltre, i clienti si stanno rendendo conto che il vero valore del carburo di silicio (SiC) risiede nel livello di sistema, piuttosto che nel confronto a livello di singolo dispositivo. Per soddisfare le esigenze di diversi settori, la produzione di carburo di silicio (SiC) migliorerà ulteriormente, la produzione continuerà a crescere e il suo prezzo continuerà a diminuire. Prendendo Cree come esempio, l'azienda ha effettuato ingenti investimenti per soddisfare queste esigenze, tra cui la costruzione di uno stabilimento nello Stato di New York che utilizza tecnologie all'avanguardia e soddisfa gli standard del settore automobilistico, aumentando la capacità produttiva di oltre 30 volte rispetto al 2017.

Il passaggio dal silicio (Si) al carburo di silicio (SiC) non è più una questione di "se" e "quando" avverrà, ci siamo già. È entusiasmante essere pienamente coinvolti negli enormi cambiamenti che stanno interessando molti settori. Il futuro di questi settori non sarà certo statico e continueremo sicuramente ad assistere a cambiamenti senza precedenti. E i produttori che sapranno adattarsi rapidamente a questi cambiamenti ne trarranno grandi benefici.

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