Bevorder de elektrificatie van SiC door een trap op te gaanHoe zullen onze halfgeleiders de prestaties van auto's en andere industrieën in de toekomst verbeteren?John Palmour, Chief Technology Officer van Wolfspeed of Cree Company

Veel voedingssystemen stappen over van silicium (Si)-technologie naar siliciumcarbide (SiC). Dit is de grootste verandering die de vermogenshalfgeleiderindustrie heeft doorgemaakt sinds de bipolaire halfgeleider in de jaren 1980 overging op een Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). Tegelijkertijd met deze transformatie maken veel industrieën die erdoor worden getroffen ook een ongebruikelijke periode van uitgebreide transformatie door. Van de auto-industrie tot de zonne-energiesector, de voordelen van siliciumcarbide (SiC) zijn merkbaar geworden. Terwijl ze grote veranderingen ondergaan, doen alle grote fabrikanten hun best om siliciumcarbide (SiC) verder te integreren in hun eigen technologieën.

De auto-industrie is een typisch voorbeeld van ongekende veranderingen in de moderne industrie. In het komende decennium zal de auto-industrie overstappen van verbrandingsmotoren naar elektrificatie. De transformatie van silicium (Si) naar siliciumcarbide (SiC) speelt een belangrijke rol bij het voldoen aan de behoeften van consumenten aan elektrische voertuigen en tegelijkertijd aan de overheidsvoorschriften met betrekking tot de impact van klimaatverandering. Siliciumcarbide (SiC)-oplossingen helpen elektrische voertuigen "door één trap op te gaan", verbeteren toepassingen zoals snellaadinfrastructuur, aandrijfomvormers en stroomvoorziening, en bevorderen de vooruitgang in telecommunicatie- en lucht- en ruimtevaarttoepassingen.

Figuur 1. Cree-medewerkers in het laboratorium

Kansen voor elektrische voertuigen

Met de toenemende consumentenvraag en de strengere overheidsregels kondigden autofabrikanten zoals Tesla, Ford en Volkswagen aan dat ze de komende tien jaar meer dan $ 300 miljard in elektrische voertuigen zullen investeren. Analisten voorspellen dat het aantal volledig elektrische voertuigen (BEV) in 2030 15% van het totale aantal auto's zal bedragen. De markt voor siliciumcarbide (SiC)-componenten voor elektrische voertuigen zal de komende jaren dan ook exponentieel groeien.

Elektrificatie is zo belangrijk dat fabrikanten de voordelen van siliciumcarbide (SiC) niet langer kunnen negeren. Vergeleken met de silicium (Si)-technologie die in traditionele elektrische voertuigen wordt gebruikt, kan siliciumcarbide (SiC) de levensduur van de accu verlengen, de prestaties verbeteren en de laadtijd verkorten. Daarom hebben veel leveranciers hun samenwerking met Cree aangekondigd om plannen voor elektrische voertuigen te ontwikkelen. Zo ontwikkelt Delphi Technologies een efficiënter, kleiner en lichter omvormersysteem met een siliciumcarbide (SiC) halfgeleider, terwijl ZF Group een volledig elektrische aandrijflijn ontwikkelt. ABB Group ontwikkelt en levert diverse energiesystemen met siliciumcarbide (SiC).

Efficiëntieverbetering

Het schakelverlies van siliciumcarbide (SiC) is veel lager dan dat van op silicium (Si) gebaseerde IGBT's. Bovendien heeft het siliciumcarbide geen ingebouwde spanning en is het geleidingsverlies duidelijk laag. Daarom heeft siliciumcarbide (SiC) een hogere vermogensdichtheid, een lager gewicht en een hogere bedrijfsfrequentie. In een recente autotest, vergeleken met silicium (Si), verminderde Cree's siliciumcarbide (SiC)-technologie het omvormerverlies met ongeveer 78%. In de automobielsector kunnen deze efficiëntieverbeteringen worden toegepast op aandrijflijnoplossingen, vermogensomvormers en zowel on-board laders als laders. Vergeleken met traditionele op silicium (Si) gebaseerde oplossingen kan siliciumcarbide (SiC) de algehele efficiëntie van elektrische voertuigen met 5% tot 10% verbeteren. Fabrikanten kunnen dit gebruiken om de actieradius te vergroten of het gebruik van omvangrijke en dure accu's te verminderen.

Bovendien kan siliciumcarbide (SiC) de koelbehoefte verminderen, ruimte besparen en is het lichter dan silicium (Si)-gebaseerde systemen. Siliciumcarbide (SiC) biedt ook ondersteuning voor snelladers en de batterijduur kan momenteel met 75 kilometer worden verlengd na 5 minuten opladen.

De voortdurende daling van de kosten van siliciumcarbide (SiC)-oplossingen heeft geleid tot een verdere toename van de acceptatiegraad ervan. Als we auto's als voorbeeld nemen, schatten we dat de waarde van siliciumcarbide (SiC)-componenten in een elektrisch voertuig ongeveer $ 250 tot $ 500 bedraagt ​​(afhankelijk van het benodigde vermogen). De totale kostenbesparing die autofabrikanten realiseren op het gebied van accukosten, volume en gewicht van accu's en omvormers, en de koelingsvereisten van elk elektrisch voertuig, kan oplopen tot $ 2,000. Hoewel veel factoren de transformatie van silicium (Si) naar siliciumcarbide (SiC) stimuleren, is dit de sleutel.

Buiten de auto-industrie

De vraag vanuit de automobielindustrie is goed voor ongeveer de helft van Cree's aanbod van siliciumcarbide (SiC) ter waarde van $ 9 miljard, terwijl de sectoren zonne-energie, lucht- en ruimtevaart en communicatie-infrastructuur de belangrijkste aanjagers van andere vraag zijn. Volgens een recente prognose van Canaccord Genuity Company zal de vraag naar siliciumcarbide (SiC) in 2030 de $ 20 miljard overschrijden.

Figuur 2. Cree 650V MOSFET

Siliciumcarbide (SiC) kan industriële en energiebedrijven ook helpen om de benutting van elektriciteit en ruimte te maximaliseren. Siliciumcarbide (SiC) biedt hoogfrequente industriële voedingen en onderbrekingsvrije stroomvoorzieningen een hogere efficiëntie, hogere vermogensdichtheid en een lager gewicht. De voordelen van SiC overtreffen de kosten aanzienlijk.

In deze sectoren betekent een hogere efficiëntie hogere winsten. In de vermogenselektronica is de efficiëntie van siliciumcarbide (SiC) veel hoger dan die van silicium (Si), en de vermogensdichtheid is drie keer zo hoog als die van silicium (Si), wat het hoogspanningssysteem lichter, kleiner, efficiënter en kosteneffectiever maakt. Deze uitstekende prestaties hebben een explosief punt bereikt en fabrikanten kunnen hier niet langer omheen als ze concurrerend willen blijven in de huidige markt.

Halfgeleider toekomst

De kosten vormen het grootste obstakel voor de acceptatie van siliciumcarbide (SiC). Door de voortdurende verbetering van de productie en ervaring dalen de kosten echter ook. De productie ervan wordt daardoor efficiënter en verfijnder. Belangrijker nog, klanten zijn zich gaan realiseren dat de werkelijke waarde van siliciumcarbide (SiC) ligt op systeemniveau, en niet op apparaatniveau. Om aan de behoeften van verschillende industrieën te voldoen, zal de productie van siliciumcarbide (SiC) verder worden bevorderd en zal de productie blijven toenemen, waardoor de prijs verder zal dalen. Cree heeft, met Cree als referentie, grootschalige investeringen gedaan om aan deze eisen te voldoen, waaronder de bouw van een fabriek in de staat New York, die gebruikmaakt van geavanceerde technologie en voldoet aan de normen van de voertuigregelgeving. Hierdoor zal de productiecapaciteit meer dan 30 keer zo groot zijn als in 2017.

De transformatie van silicium (Si) naar siliciumcarbide (SiC) is niet langer de vraag of en wanneer die zal plaatsvinden. We zitten er al middenin. Het is spannend om volop deel te nemen aan de grote veranderingen in vele industrieën. De toekomst van deze industrieën zal nooit statisch zijn en we zullen zeker ongekende veranderingen blijven zien. En fabrikanten die zich snel aan deze veranderingen kunnen aanpassen, zullen daar zeker vruchtbare resultaten van plukken.