Postęp w elektryfikacji SiC poprzez wchodzenie po schodachW jaki sposób nasze półprzewodniki poprawią wydajność samochodów i innych gałęzi przemysłu w przyszłości?John Palmour, dyrektor ds. technologii w Wolfspeed of Cree Company

Wiele systemów zasilania przechodzi z technologii krzemowej (Si) na technologię węglika krzemu (SiC). Będzie to największa zmiana, jakiej doświadcza branża półprzewodników mocy od czasu przejścia z półprzewodników bipolarnych na tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) w latach 1980. XX wieku. Jednocześnie wiele branż, których to dotyczy, przechodzi przez okres niezwykłej, kompleksowej transformacji. Od przemysłu samochodowego po energetykę słoneczną, zalety węglika krzemu (SiC) stały się zauważalne. Pomimo ogromnych zmian, wszyscy czołowi producenci podejmują wysiłki w celu dalszej integracji węglika krzemu (SiC) z własnymi technologiami.

Przemysł samochodowy jest typowym przykładem bezprecedensowych zmian w nowoczesnym przemyśle. W ciągu następnej dekady przemysł samochodowy przejdzie z silnika spalinowego na elektryfikację. Transformacja z krzemu (Si) na węglik krzemu (SiC) odgrywa ważną rolę w pomaganiu pojazdom elektrycznym w zaspokajaniu potrzeb konsumentów, a jednocześnie może spełniać przepisy rządowe dotyczące wpływu zmian klimatycznych. Rozwiązania z węglika krzemu (SiC) pomagają pojazdom elektrycznym „wchodząc po jednym biegu schodów”, ulepszając aplikacje, takie jak infrastruktura szybkiego ładowania, falownik napędowy i zasilanie, a także promując postęp w telekomunikacji i zastosowaniach lotniczych.

Rysunek 1. Pracownicy Cree w laboratorium

Szansa na pojazd elektryczny

Wraz ze wzrostem popytu konsumentów i wzmocnieniem regulacji rządowych, producenci samochodów, tacy jak Tesla, Ford i Volkswagen, ogłosili, że zainwestują ponad 300 miliardów dolarów w pojazdy elektryczne w ciągu następnej dekady. Analitycy przewidują, że do 2030 roku liczba pojazdów czysto elektrycznych (BEV) osiągnie 15% całkowitej liczby samochodów. Dlatego w ciągu najbliższych kilku lat rynek komponentów z węglika krzemu (SiC) do pojazdów elektrycznych wzrośnie wykładniczo.

Elektryfikacja jest tak ważna, że ​​producenci nie mogą już dłużej przymykać oczu na zalety węglika krzemu (SiC). W porównaniu z technologią krzemową (Si) stosowaną w tradycyjnych pojazdach elektrycznych, węglik krzemu (SiC) może wydłużyć żywotność baterii, poprawić jej wydajność i skrócić czas ładowania. Dlatego wielu dostawców ogłosiło współpracę z Cree w celu opracowania planów dotyczących pojazdów elektrycznych. Na przykład Delphi Technologies opracowuje bardziej wydajny, mniejszy i lżejszy system inwertera wykorzystujący półprzewodnik z węglika krzemu (SiC), podczas gdy ZF Group opracowuje całkowicie elektryczny układ napędowy. ABB Group opracowuje i dostarcza różne systemy zasilania wykorzystujące węglik krzemu (SiC).

Poprawę wydajności

Straty przełączania węglika krzemu (SiC) są znacznie niższe niż w przypadku tranzystorów IGBT na bazie krzemu (Si). Ponadto, element z węglika krzemu nie ma wbudowanego napięcia, a jego straty przewodzenia są oczywiście niskie. Dlatego węglik krzemu (SiC) charakteryzuje się wyższą gęstością mocy, mniejszą masą i wyższą częstotliwością pracy. W niedawnym teście samochodowym, w porównaniu z krzemem (Si), technologia węglika krzemu (SiC) firmy Cree zmniejszyła straty inwertera o około 78%. W sektorze motoryzacyjnym te ulepszenia wydajności można zastosować w rozwiązaniach układów napędowych, przetwornicach mocy oraz ładowarkach pokładowych i zewnętrznych. W porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami na bazie krzemu (Si), węglik krzemu (SiC) może poprawić ogólną sprawność pojazdów elektrycznych o 5% do 10%. Producenci mogą wykorzystać to do zwiększenia zasięgu lub zmniejszenia zużycia dużych i drogich akumulatorów.

Ponadto węglik krzemu (SiC) może również zmniejszyć wymagania dotyczące chłodzenia, zaoszczędzić miejsce, a jego waga jest mniejsza niż w przypadku schematu opartego na krzemie (Si). Węglik krzemu (SiC) może również zapewnić obsługę szybkich ładowarek, a żywotność baterii może zostać zwiększona o 75 mil po ładowaniu przez 5 minut.

Ciągły spadek kosztów rozwiązań z węglika krzemu (SiC) doprowadził do dalszego wzrostu wskaźnika jego adopcji. Biorąc za przykład samochody, szacujemy, że wartość komponentów z węglika krzemu (SiC) stosowanych w pojazdach elektrycznych wynosi około 250 do 500 dolarów (w zależności od wymagań energetycznych). Całkowity koszt zaoszczędzony przez producentów samochodów pod względem kosztów akumulatorów, objętości i masy akumulatorów i falowników oraz wymagań dotyczących chłodzenia każdego pojazdu elektrycznego może wynieść nawet 2,000 dolarów. Chociaż wiele czynników napędza transformację z krzemu (Si) na węglik krzemu (SiC), to jest to klucz.

Poza branżą samochodową

Popyt przemysłu samochodowego odpowiada za około połowę 9 miliardów dolarów z możliwości Cree w zakresie węglika krzemu (SiC), podczas gdy głównymi czynnikami napędzającymi inne zapotrzebowania są energetyka słoneczna, lotnictwo i infrastruktura komunikacyjna. Według niedawnej prognozy Canaccord Genuity Company, do 2030 r. popyt na węglik krzemu (SiC) przekroczy 20 miliardów dolarów.

Rysunek 2. MOSFET Cree 650 V

Urządzenia zasilające z węglika krzemu (SiC) mogą również pomóc przedsiębiorstwom przemysłowym i energetycznym w maksymalizacji wskaźnika wykorzystania energii elektrycznej i przestrzeni. Węglik krzemu (SiC) zapewnia przemysłowemu zasilaczowi wysokiej częstotliwości i zasilaczowi bezprzerwowemu wyższą wydajność, większą gęstość mocy i mniejszą wagę. Korzyści płynące z SiC znacznie przewyższają jego własny koszt.

W tych obszarach wyższa wydajność oznacza wyższe zyski. W dziedzinie elektroniki mocy wydajność węglika krzemu (SiC) jest znacznie wyższa niż krzemu (Si), a jego gęstość mocy jest trzykrotnie większa niż krzemu (Si), co sprawia, że ​​układ wysokiego napięcia jest lżejszy, mniejszy, bardziej wydajny i bardziej opłacalny. Ta doskonała wydajność osiągnęła punkt wybuchowy, a producenci nie mogą już dłużej przymykać na nią oczu, jeśli chcą pozostać konkurencyjni na obecnym rynku.

Przyszłość półprzewodników

Koszt jest główną przeszkodą w przyjęciu węglika krzemu (SiC). Jednak wraz z ciągłym ulepszaniem produkcji i doświadczeniem, jego koszt również maleje. Dlatego jego produkcja staje się bardziej wydajna i dopracowana. Co ważniejsze, klienci zdali sobie sprawę, że prawdziwa wartość węglika krzemu (SiC) leży na poziomie systemu, a nie na poziomie urządzenia. Aby sprostać potrzebom różnych branż, produkcja węglika krzemu (SiC) będzie dalej promowana, a produkcja będzie nadal rosła, a zatem jego cena będzie nadal spadać. Biorąc za punkt odniesienia Cree, Cree dokonało inwestycji na dużą skalę, aby sprostać tym wymaganiom, w tym budowy fabryki w stanie Nowy Jork, która przyjmuje najnowocześniejszą technologię i spełnia normy przepisów dotyczących pojazdów, co zwiększy zdolność produkcyjną do ponad 30 razy w porównaniu z 2017 r.

Transformacja z krzemu (Si) na węglik krzemu (SiC) nie jest już kwestią tego, czy i kiedy nastąpi. Już jesteśmy w tym. Ekscytujące jest pełne uczestnictwo w wielkich zmianach wielu branż. Przyszłość tych branż nigdy nie będzie statyczna i z pewnością będziemy nadal świadkami bezprecedensowych zmian. A ci producenci, którzy potrafią szybko dostosować się do tych zmian, z pewnością odniosą owocne rezultaty.