Majukan elektrifikasi SiC dengan menaiki satu tangga. Bagaimanakah semikonduktor kami akan meningkatkan prestasi kereta dan industri lain pada masa hadapan? John Palmour, Ketua Pegawai Teknologi Wolfspeed of Cree Company

Banyak sistem bekalan kuasa berubah daripada teknologi silikon (Si) kepada teknologi silikon karbida (SiC). Ini akan menjadi perubahan terbesar yang dialami oleh industri semikonduktor kuasa sejak semikonduktor bipolar ditukar kepada transistor bipolar get terlindung (IGBT) pada tahun 1980-an. Pada masa yang sama transformasi ini, banyak industri yang terjejas olehnya juga mengalami tempoh transformasi komprehensif yang luar biasa. Daripada industri automobil kepada tenaga suria, kelebihan silikon karbida (SiC) telah menjadi ketara. Semasa mengalami perubahan besar, semua pengeluar utama sedang berusaha untuk menyepadukan lagi silikon karbida (SiC) ke dalam teknologi mereka sendiri.

Industri automobil adalah contoh tipikal perubahan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam industri moden. Dalam dekad akan datang, industri automobil akan berubah daripada enjin pembakaran dalaman kepada elektrifikasi. Transformasi daripada silikon (Si) kepada silikon karbida (SiC) memainkan peranan penting dalam membantu kenderaan elektrik memenuhi keperluan pengguna, dan pada masa yang sama, ia dapat memenuhi peraturan kerajaan mengenai kesan perubahan iklim. Penyelesaian silikon karbida (SiC) membantu kenderaan elektrik "dengan menaiki satu tangga", menaik taraf aplikasi seperti infrastruktur pengecasan pantas, penyongsang pemacu dan bekalan kuasa, dan mempromosikan kemajuan telekomunikasi dan aplikasi aeroangkasa.

Rajah 1. Pekerja Cree di makmal

Peluang kenderaan elektrik

Dengan permintaan pengguna yang semakin meningkat dan pengukuhan peraturan kerajaan, pengeluar kereta seperti Tesla, Ford dan Volkswagen mengumumkan bahawa mereka akan melabur lebih daripada $300 bilion dalam kenderaan elektrik dalam dekad akan datang. Penganalisis meramalkan bahawa menjelang 2030, bilangan kenderaan elektrik tulen (BEV) akan mencapai 15% daripada jumlah keseluruhan kereta. Oleh itu, dalam beberapa tahun akan datang, pasaran komponen silikon karbida (SiC) untuk kenderaan elektrik akan meningkat secara eksponen.

Elektrifikasi adalah sangat penting sehingga pengeluar tidak lagi boleh menutup mata terhadap kelebihan silikon karbida (SiC). Berbanding dengan teknologi silikon (Si) yang digunakan dalam kenderaan elektrik tradisional, silikon karbida (SiC) boleh meningkatkan hayat bateri, meningkatkan prestasinya dan memendekkan masa pengecasan. Oleh itu, banyak pembekal telah mengumumkan kerjasama mereka dengan Cree untuk membangunkan pelan kenderaan elektrik. Sebagai contoh, Delphi Technologies sedang membangunkan sistem penyongsang yang lebih cekap, lebih kecil dan ringan menggunakan semikonduktor silikon karbida (SiC), manakala Kumpulan ZF sedang membangunkan rangkaian kuasa pemacu semua elektrik. Kumpulan ABB sedang membangun dan menyediakan pelbagai sistem kuasa menggunakan karbida silikon (SiC).

Peningkatan kecekapan

Kehilangan pensuisan silikon karbida (SiC) jauh lebih rendah daripada IGBT berasaskan silikon (Si). Di samping itu, peranti silikon karbida tidak mempunyai voltan terbina dalam, dan kehilangan pengalirannya jelas rendah. Oleh itu, silikon karbida (SiC) mempunyai ketumpatan kuasa yang lebih tinggi, berat yang lebih ringan dan kekerapan operasi yang lebih tinggi. Dalam ujian kereta baru-baru ini, berbanding dengan silikon (Si), teknologi silikon karbida (SiC) Cree mengurangkan kehilangan penyongsang sebanyak kira-kira 78%.Dalam sektor automotif, peningkatan kecekapan ini boleh digunakan pada penyelesaian rangkaian kuasa, penukar kuasa dan pengecas bukan atas papan dan pengecas atas kapal. Berbanding dengan penyelesaian berasaskan silikon (Si) tradisional, silikon karbida (SiC) boleh meningkatkan kecekapan keseluruhan kenderaan elektrik sebanyak 5% hingga 10%. Pengilang boleh menggunakan ini untuk meningkatkan julat pelayaran atau mengurangkan penggunaan bateri yang besar dan mahal.

Di samping itu, silikon karbida (SiC) juga boleh mengurangkan keperluan penyejukan, menjimatkan ruang, dan beratnya lebih ringan daripada skim berasaskan silikon (Si). Silicon carbide (SiC) juga boleh memberikan sokongan untuk pengecas pantas, dan hayat bateri boleh ditingkatkan sebanyak 75 batu selepas mengecas selama 5 minit pada masa ini.

Penurunan berterusan dalam kos penyelesaian silikon karbida (SiC) telah membawa kepada peningkatan lagi dalam kadar penggunaannya. Mengambil kereta sebagai contoh, kami menganggarkan bahawa nilai komponen silikon karbida (SiC) yang digunakan dalam kenderaan elektrik adalah kira-kira $250 hingga $500 (bergantung pada keperluan kuasanya). Jumlah kos yang dijimatkan oleh pengeluar kereta dari segi kos bateri, isipadu dan berat bateri dan penyongsang, dan keperluan penyejukan bagi setiap kenderaan elektrik boleh setinggi $2,000. Walaupun banyak faktor mendorong transformasi daripada silikon (Si) kepada silikon karbida (SiC), ini adalah kuncinya.

Di luar industri automobil

Permintaan industri automobil menyumbang kira-kira separuh daripada peluang $9 bilion Cree bagi silikon karbida (SiC), manakala bidang tenaga suria, aeroangkasa dan infrastruktur komunikasi adalah pemacu utama permintaan lain. Menurut ramalan Canaccord Genuity Company baru-baru ini, menjelang 2030, permintaan untuk silikon karbida (SiC) akan melebihi USD 20 bilion.

Rajah 2. Cree 650V MOSFET

Peranti kuasa silikon karbida (SiC) juga boleh membantu perusahaan perindustrian dan tenaga untuk memaksimumkan kadar penggunaan elektrik dan ruang. Silikon karbida (SiC) memberikan bekalan kuasa industri frekuensi tinggi dan bekalan kuasa tidak terganggu dengan kecekapan yang lebih tinggi, ketumpatan kuasa yang lebih tinggi dan berat yang lebih ringan. Faedah yang dibawa oleh SiC jauh melebihi kosnya sendiri.

Dalam bidang ini, kecekapan yang lebih tinggi bermakna keuntungan yang lebih tinggi. Dalam bidang elektronik kuasa, kecekapan silikon karbida (SiC) jauh lebih tinggi daripada silikon (Si), dan ketumpatan kuasanya adalah tiga kali ganda daripada silikon (Si), yang menjadikan sistem voltan tinggi lebih ringan, lebih kecil, lebih cekap dan lebih menjimatkan kos. Prestasi cemerlang ini telah mencapai titik letupan, dan pengeluar tidak boleh lagi menutup mata terhadapnya jika mereka mahu kekal berdaya saing dalam pasaran semasa.

Masa depan semikonduktor

Kos adalah halangan utama kepada penggunaan silikon karbida (SiC). Walau bagaimanapun, dengan peningkatan berterusan output dan pengalaman, kosnya juga berkurangan. Oleh itu, pembuatannya menjadi lebih cekap dan halus. Lebih penting lagi, pelanggan telah menyedari bahawa nilai sebenar silikon karbida (SiC) terletak pada tahap sistem, dan bukannya perbandingan tahap peranti. Bagi memenuhi keperluan pelbagai industri, pembuatan silikon karbida (SiC) akan terus digalakkan, dan pengeluaran akan terus meningkat, justeru harganya akan terus menurun. Mengambil Cree sebagai rujukan, Cree telah membuat pelaburan berskala besar untuk memenuhi permintaan ini, termasuk pembinaan kilang di New York State yang menggunakan teknologi canggih dan memenuhi piawaian peraturan kenderaan, yang akan meningkatkan kapasiti pengeluaran kepada lebih 30 kali ganda berbanding 2017.

Transformasi daripada silikon (Si) kepada silikon karbida (SiC) bukan lagi persoalan sama ada dan bila ia akan berlaku. Kami sudah berada di dalamnya. Adalah menarik untuk mengambil bahagian sepenuhnya dalam perubahan besar banyak industri. Masa depan industri ini tidak akan statik, dan kami pasti akan terus melihat perubahan yang tidak pernah berlaku sebelum ini. Dan pengeluar yang boleh menyesuaikan diri dengan cepat dengan perubahan ini pasti akan menuai hasil yang membuahkan hasil.