Avance na eletrificação do SiC subindo um lance de escadas. Como nossos semicondutores melhorarão o desempenho dos automóveis e de outras indústrias no futuro? John Palmour, Diretor de Tecnologia da Wolfspeed of Cree Company

Muitos sistemas de fornecimento de energia estão migrando da tecnologia de silício (Si) para a tecnologia de carboneto de silício (SiC). Esta será a maior mudança experimentada pela indústria de semicondutores de potência desde que o semicondutor bipolar passou a ser usado como transistor bipolar de porta isolada (IGBT) na década de 1980. Paralelamente a essa transformação, muitas indústrias afetadas por ela também estão passando por um período incomum de transformação abrangente. Da indústria automobilística à energia solar, as vantagens do carboneto de silício (SiC) tornaram-se perceptíveis. Embora passando por grandes mudanças, todos os principais fabricantes estão se esforçando para integrar ainda mais o carboneto de silício (SiC) em suas próprias tecnologias.

A indústria automobilística é um exemplo típico de mudanças sem precedentes na indústria moderna. Na próxima década, a indústria automobilística migrará do motor de combustão interna para a eletrificação. A transformação do silício (Si) em carboneto de silício (SiC) desempenha um papel importante para ajudar os veículos elétricos a atender às necessidades dos consumidores e, ao mesmo tempo, atender às regulamentações governamentais sobre o impacto das mudanças climáticas. As soluções de carboneto de silício (SiC) estão ajudando os veículos elétricos "subindo um lance de escada", aprimorando aplicações como infraestrutura de carregamento rápido, inversores de acionamento e fontes de alimentação, e promovendo o progresso das telecomunicações e aplicações aeroespaciais.

Figura 1. Funcionários da Cree no laboratório

Oportunidade de veículo elétrico

Com a crescente demanda do consumidor e o fortalecimento das regulamentações governamentais, fabricantes de automóveis como Tesla, Ford e Volkswagen anunciaram que investirão mais de US$ 300 bilhões em veículos elétricos na próxima década. Analistas preveem que, até 2030, o número de veículos puramente elétricos (BEV) atingirá 15% do total de automóveis. Portanto, nos próximos anos, o mercado de componentes de carboneto de silício (SiC) para veículos elétricos crescerá exponencialmente.

A eletrificação é tão importante que os fabricantes não podem mais ignorar as vantagens do carboneto de silício (SiC). Comparado à tecnologia de silício (Si) usada em veículos elétricos tradicionais, o carboneto de silício (SiC) pode aumentar a vida útil da bateria, melhorar seu desempenho e reduzir o tempo de carregamento. Por isso, muitos fornecedores anunciaram sua cooperação com a Cree para desenvolver planos de veículos elétricos. Por exemplo, a Delphi Technologies está desenvolvendo um sistema inversor mais eficiente, menor e mais leve usando semicondutor de carboneto de silício (SiC), enquanto o Grupo ZF está desenvolvendo um trem de força totalmente elétrico. O Grupo ABB está desenvolvendo e fornecendo diversos sistemas de energia usando carboneto de silício (SiC).

Melhoria de eficiência

A perda de comutação do carboneto de silício (SiC) é muito menor do que a do IGBT à base de silício (Si). Além disso, o dispositivo de carboneto de silício não possui tensão interna e sua perda de condução é obviamente baixa. Portanto, o carboneto de silício (SiC) possui maior densidade de potência, menor peso e maior frequência de operação. Em um teste automotivo recente, em comparação com o silício (Si), a tecnologia de carboneto de silício (SiC) da Cree reduziu a perda do inversor em cerca de 78%. No setor automotivo, essas melhorias de eficiência podem ser aplicadas a soluções de trem de força, conversores de energia e carregadores não embarcados e de bordo. Comparado às soluções tradicionais à base de silício (Si), o carboneto de silício (SiC) pode melhorar a eficiência geral dos veículos elétricos em 5% a 10%. Os fabricantes podem usar isso para aumentar a autonomia ou reduzir o uso de baterias volumosas e caras.

Além disso, o carboneto de silício (SiC) também reduz os requisitos de resfriamento, economiza espaço e é mais leve do que o sistema à base de silício (Si). O carboneto de silício (SiC) também pode ser usado em carregadores rápidos, e a vida útil da bateria pode ser aumentada em 75 km após 5 minutos de carga.

A redução contínua no custo das soluções de carboneto de silício (SiC) levou a um aumento ainda maior na sua taxa de adoção. Tomando os automóveis como exemplo, estimamos que o valor dos componentes de carboneto de silício (SiC) usados ​​em um veículo elétrico gira em torno de US$ 250 a US$ 500 (dependendo de suas necessidades de energia). O custo total economizado pelos fabricantes de automóveis em termos de custo da bateria, volume e peso das baterias e inversores, e requisitos de refrigeração de cada veículo elétrico, pode chegar a US$ 2,000. Embora muitos fatores estejam impulsionando a transformação do silício (Si) para o carboneto de silício (SiC), este é o ponto-chave.

Fora da indústria automobilística

A demanda da indústria automobilística representa cerca de metade da oportunidade de US$ 9 bilhões em carboneto de silício (SiC) da Cree, enquanto os setores de energia solar, aeroespacial e infraestrutura de comunicação são os principais impulsionadores de outras demandas. De acordo com a previsão recente da Canaccord Genuity Company, até 2030, a demanda por carboneto de silício (SiC) ultrapassará US$ 20 bilhões.

Figura 2. MOSFET Cree 650V

Dispositivos de energia com carboneto de silício (SiC) também podem ajudar empresas industriais e de energia a maximizar a taxa de utilização de eletricidade e espaço. O carboneto de silício (SiC) proporciona maior eficiência, maior densidade de potência e menor peso ao fornecimento de energia industrial de alta frequência e a fontes de alimentação ininterruptas. Os benefícios do SiC excedem em muito seu próprio custo.

Nessas áreas, maior eficiência significa maiores lucros. No campo da eletrônica de potência, a eficiência do carboneto de silício (SiC) é muito superior à do silício (Si), e sua densidade de potência é três vezes maior que a do silício (Si), o que torna o sistema de alta tensão mais leve, menor, mais eficiente e mais econômico. Esse excelente desempenho atingiu seu ponto de explosão, e os fabricantes não podem mais ignorá-lo se quiserem permanecer competitivos no mercado atual.

Futuro dos semicondutores

O custo é o principal obstáculo à adoção do carboneto de silício (SiC). No entanto, com a melhoria contínua da produção e da experiência, seu custo também está diminuindo. Portanto, sua fabricação se torna mais eficiente e refinada. Mais importante ainda, os clientes perceberam que o verdadeiro valor do carboneto de silício (SiC) reside no nível do sistema, e não na comparação em nível de dispositivo. Para atender às necessidades de vários setores, a fabricação de carboneto de silício (SiC) será ainda mais promovida, e a produção continuará a aumentar, portanto, seu preço continuará a cair. Tomando a Cree como referência, a Cree fez um investimento em larga escala para atender a essas demandas, incluindo a construção de uma fábrica no estado de Nova York que adota tecnologia de ponta e atende aos padrões de regulamentação de veículos, o que aumentará a capacidade de produção para mais de 30 vezes em relação a 2017.

A transformação do silício (Si) em carboneto de silício (SiC) não é mais uma questão de se e quando acontecerá. Já estamos nela. É emocionante participar plenamente das grandes mudanças em muitos setores. O futuro desses setores nunca será estático e certamente continuaremos a testemunhar mudanças sem precedentes. E os fabricantes que conseguirem se adaptar rapidamente a essas mudanças certamente colherão resultados frutíferos.