Продвиньте электрификацию SiC, поднявшись на один лестничный пролет. Как наши полупроводники улучшат производительность автомобилей и других отраслей промышленности в будущем?Джон Палмур, главный технический директор Wolfspeed компании Cree

Многие системы электропитания переходят с кремниевой (Si) технологии на карбид кремния (SiC). Это станет самым крупным изменением в отрасли силовых полупроводников с тех пор, как в 1980-х годах биполярные полупроводники были заменены биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT). Одновременно с этим преобразованием многие отрасли, затронутые этим преобразованием, также переживают необычный период комплексной трансформации. От автомобильной промышленности до солнечной энергетики – преимущества карбида кремния (SiC) стали очевидны. Несмотря на значительные изменения, все крупные производители прилагают усилия по дальнейшей интеграции карбида кремния (SiC) в свои собственные технологии.

Автомобильная промышленность является типичным примером беспрецедентных изменений в современной промышленности. В следующем десятилетии автомобильная промышленность перейдет от двигателей внутреннего сгорания к электрификации. Переход от кремния (Si) к карбиду кремния (SiC) играет важную роль в содействии электромобилям в удовлетворении потребностей потребителей, и в то же время он может соответствовать правительственным постановлениям о влиянии изменения климата. Решения на основе карбида кремния (SiC) помогают электромобилям «подниматься на один пролет», модернизируя такие приложения, как инфраструктура быстрой зарядки, инвертор привода и источник питания, а также содействуя прогрессу телекоммуникаций и аэрокосмических приложений.

Рисунок 1. Сотрудники Cree в лаборатории

Возможность электромобиля

С ростом потребительского спроса и ужесточением государственного регулирования такие автопроизводители, как Tesla, Ford и Volkswagen, объявили, что в следующем десятилетии инвестируют в электромобили более 300 миллиардов долларов. Аналитики прогнозируют, что к 2030 году количество чисто электрических транспортных средств (BEV) достигнет 15% от общего числа автомобилей. Поэтому в ближайшие несколько лет рынок компонентов из карбида кремния (SiC) для электромобилей будет расти в геометрической прогрессии.

Электрификация настолько важна, что производители больше не могут закрывать глаза на преимущества карбида кремния (SiC). По сравнению с технологией кремния (Si), используемой в традиционных электромобилях, карбид кремния (SiC) может увеличить срок службы аккумулятора, улучшить его производительность и сократить время зарядки. Поэтому многие поставщики объявили о своем сотрудничестве с Cree для разработки планов по созданию электромобилей. Например, Delphi Technologies разрабатывает более эффективную, меньшую и легкую инверторную систему с использованием полупроводника из карбида кремния (SiC), в то время как ZF Group разрабатывает полностью электрический привод. ABB Group разрабатывает и поставляет различные системы питания с использованием карбида кремния (SiC).

Повышение эффективности

Потери переключения карбида кремния (SiC) намного ниже, чем у IGBT на основе кремния (Si). Кроме того, устройство из карбида кремния не имеет встроенного напряжения, и его потери проводимости, очевидно, низки. Поэтому карбид кремния (SiC) имеет более высокую плотность мощности, меньший вес и более высокую рабочую частоту. В недавнем автомобильном тесте, по сравнению с кремнием (Si), технология карбида кремния (SiC) компании Cree снизила потери инвертора примерно на 78%. В автомобильном секторе эти улучшения эффективности могут быть применены к решениям для силовых агрегатов, преобразователей мощности, а также внешних и бортовых зарядных устройств. По сравнению с традиционными решениями на основе кремния (Si), карбид кремния (SiC) может повысить общую эффективность электромобилей на 5–10%. Производители могут использовать это для увеличения запаса хода или сокращения использования громоздких и дорогих батарей.

Кроме того, карбид кремния (SiC) также может снизить требования к охлаждению, сэкономить место, и его вес меньше, чем у схемы на основе кремния (Si). Карбид кремния (SiC) также может обеспечить поддержку для быстрых зарядных устройств, а срок службы батареи может быть увеличен на 75 миль после зарядки в течение 5 минут в настоящее время.

Постоянное снижение стоимости решений из карбида кремния (SiC) привело к дальнейшему росту скорости его внедрения. Взяв в качестве примера автомобили, мы оцениваем, что стоимость компонентов из карбида кремния (SiC), используемых в электромобиле, составляет около 250–500 долларов США (в зависимости от его требований к мощности). Общая экономия затрат автопроизводителей с точки зрения стоимости аккумулятора, объема и веса аккумуляторов и инверторов, а также требований к охлаждению каждого электромобиля может достигать 2,000 долларов США. Хотя многие факторы способствуют переходу от кремния (Si) к карбиду кремния (SiC), это ключ.

За пределами автомобильной промышленности

Спрос автомобильной промышленности составляет около половины возможностей Cree в размере 9 миллиардов долларов США в области карбида кремния (SiC), в то время как сферы солнечной энергетики, аэрокосмической отрасли и инфраструктуры связи являются основными драйверами других потребностей. Согласно последнему прогнозу компании Canaccord Genuity, к 2030 году спрос на карбид кремния (SiC) превысит 20 миллиардов долларов США.

Рисунок 2. МОП-транзистор Cree 650 В.

Силовые устройства из карбида кремния (SiC) также могут помочь промышленным и энергетическим предприятиям максимизировать коэффициент использования электроэнергии и пространства. Карбид кремния (SiC) обеспечивает высокочастотный промышленный источник питания и источник бесперебойного питания более высокой эффективностью, более высокой плотностью мощности и более легким весом. Преимущества, приносимые SiC, намного превышают его собственную стоимость.

В этих областях более высокая эффективность означает более высокую прибыль. В области силовой электроники эффективность карбида кремния (SiC) намного выше, чем у кремния (Si), а его плотность мощности в три раза больше, чем у кремния (Si), что делает высоковольтную систему легче, меньше, эффективнее и экономичнее. Эта превосходная производительность достигла взрывоопасной точки, и производители больше не могут закрывать на нее глаза, если они хотят оставаться конкурентоспособными на текущем рынке.

Полупроводниковое будущее

Стоимость является основным препятствием для принятия карбида кремния (SiC). Однако с постоянным улучшением производительности и опыта его стоимость также снижается. Поэтому его производство становится более эффективным и совершенным. Что еще более важно, клиенты пришли к пониманию того, что реальная ценность карбида кремния (SiC) заключается в системном уровне, а не в сравнении на уровне устройств. Для того чтобы удовлетворить потребности различных отраслей промышленности, производство карбида кремния (SiC) будет и дальше продвигаться, а выпуск продукции будет продолжать расти, поэтому его цена будет продолжать снижаться. Взяв Cree в качестве ориентира, Cree сделала крупномасштабные инвестиции для того, чтобы удовлетворить эти потребности, включая строительство завода в штате Нью-Йорк, который принимает передовые технологии и соответствует стандартам правил для транспортных средств, что увеличит производственную мощность более чем в 30 раз по сравнению с 2017 годом.

Переход от кремния (Si) к карбиду кремния (SiC) больше не является вопросом того, произойдет ли это и когда. Мы уже в этом. Волнительно полностью участвовать в великих переменах во многих отраслях. Будущее этих отраслей никогда не будет статичным, и мы, безусловно, продолжим наблюдать беспрецедентные изменения. И те производители, которые смогут быстро адаптироваться к этим изменениям, наверняка получат плодотворные результаты.