Nâng cao quá trình điện khí hóa SiC bằng cách đi lên một cầu thangChất bán dẫn của chúng ta sẽ cải thiện hiệu suất của ô tô và các ngành công nghiệp khác như thế nào trong tương lai?John Palmour, Giám đốc công nghệ của Wolfspeed thuộc Cree Company

Nhiều hệ thống cung cấp điện đang chuyển đổi từ công nghệ silicon (Si) sang công nghệ silicon carbide (SiC). Đây sẽ là bước chuyển đổi lớn nhất mà ngành công nghiệp bán dẫn điện trải qua kể từ khi bán dẫn lưỡng cực chuyển sang transistor lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) vào những năm 1980. Cùng với sự chuyển đổi này, nhiều ngành công nghiệp bị ảnh hưởng cũng đang trải qua một giai đoạn chuyển đổi toàn diện bất thường. Từ ngành công nghiệp ô tô đến năng lượng mặt trời, những lợi thế của silicon carbide (SiC) đã trở nên rõ rệt. Trong khi trải qua những thay đổi lớn, tất cả các nhà sản xuất lớn đều đang nỗ lực tích hợp silicon carbide (SiC) vào công nghệ của riêng mình.

Ngành công nghiệp ô tô là một ví dụ điển hình về những thay đổi chưa từng có trong ngành công nghiệp hiện đại. Trong thập kỷ tới, ngành công nghiệp ô tô sẽ chuyển từ động cơ đốt trong sang điện khí hóa. Sự chuyển đổi từ silicon (Si) sang silicon carbide (SiC) đóng vai trò quan trọng trong việc giúp xe điện đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng, đồng thời có thể đáp ứng các quy định của chính phủ về tác động của biến đổi khí hậu. Các giải pháp silicon carbide (SiC) đang giúp xe điện "leo lên một cầu thang", nâng cấp các ứng dụng như cơ sở hạ tầng sạc nhanh, biến tần truyền động và nguồn điện, đồng thời thúc đẩy sự tiến bộ của các ứng dụng viễn thông và hàng không vũ trụ.

Hình 1. Nhân viên Cree trong phòng thí nghiệm

Cơ hội xe điện

Với nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng và các quy định của chính phủ ngày càng chặt chẽ hơn, các nhà sản xuất ô tô như Tesla, Ford và Volkswagen đã tuyên bố rằng họ sẽ đầu tư hơn 300 tỷ đô la vào xe điện trong thập kỷ tới. Các nhà phân tích dự đoán rằng đến năm 2030, số lượng xe điện thuần túy (BEV) sẽ đạt 15% tổng số ô tô. Do đó, trong vài năm tới, thị trường linh kiện silicon carbide (SiC) cho xe điện sẽ tăng theo cấp số nhân.

Điện khí hóa quan trọng đến mức các nhà sản xuất không thể tiếp tục nhắm mắt làm ngơ trước những lợi thế của silicon carbide (SiC). So với công nghệ silicon (Si) được sử dụng trong các loại xe điện truyền thống, silicon carbide (SiC) có thể tăng tuổi thọ pin, cải thiện hiệu suất và rút ngắn thời gian sạc. Do đó, nhiều nhà cung cấp đã công bố hợp tác với Cree để phát triển các kế hoạch xe điện. Ví dụ, Delphi Technologies đang phát triển một hệ thống biến tần hiệu quả hơn, nhỏ hơn và nhẹ hơn sử dụng chất bán dẫn silicon carbide (SiC), trong khi ZF Group đang phát triển hệ thống truyền động hoàn toàn bằng điện. ABB Group đang phát triển và cung cấp nhiều hệ thống điện khác nhau sử dụng silicon carbide (SiC).

Cải thiện hiệu quả

Tổn thất chuyển mạch của silicon carbide (SiC) thấp hơn nhiều so với IGBT dựa trên silicon (Si). Ngoài ra, thiết bị silicon carbide không có điện áp tích hợp, và tổn thất dẫn điện của nó rõ ràng là thấp. Do đó, silicon carbide (SiC) có mật độ công suất cao hơn, trọng lượng nhẹ hơn và tần số hoạt động cao hơn. Trong một thử nghiệm ô tô gần đây, so với silicon (Si), công nghệ silicon carbide (SiC) của Cree đã giảm tổn thất biến tần khoảng 78%. Trong lĩnh vực ô tô, những cải tiến về hiệu suất này có thể được áp dụng cho các giải pháp hệ thống truyền động, bộ chuyển đổi nguồn, bộ sạc không trên bo mạch và bộ sạc trên bo mạch. So với các giải pháp dựa trên silicon (Si) truyền thống, silicon carbide (SiC) có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của xe điện từ 5% đến 10%. Các nhà sản xuất có thể sử dụng điều này để tăng phạm vi hoạt động hoặc giảm việc sử dụng pin cồng kềnh và đắt tiền.

Ngoài ra, silicon carbide (SiC) cũng có thể giảm yêu cầu làm mát, tiết kiệm không gian và trọng lượng nhẹ hơn so với sơ đồ dựa trên silicon (Si). Silicon carbide (SiC) cũng có thể hỗ trợ bộ sạc nhanh và tuổi thọ pin có thể tăng thêm 75 dặm sau khi sạc trong 5 phút hiện tại.

Việc liên tục giảm chi phí cho các giải pháp silicon carbide (SiC) đã dẫn đến việc tăng thêm tỷ lệ áp dụng của nó. Lấy ô tô làm ví dụ, chúng tôi ước tính rằng giá trị của các thành phần silicon carbide (SiC) được sử dụng trong một chiếc xe điện là khoảng 250 đến 500 đô la (tùy thuộc vào yêu cầu về công suất của nó). Tổng chi phí mà các nhà sản xuất ô tô tiết kiệm được về mặt chi phí pin, thể tích và trọng lượng của pin và bộ biến tần, cũng như yêu cầu làm mát của mỗi chiếc xe điện có thể lên tới 2,000 đô la. Mặc dù có nhiều yếu tố thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ silicon (Si) sang silicon carbide (SiC), nhưng đây chính là chìa khóa.

Ngoài ngành ô tô

Nhu cầu của ngành công nghiệp ô tô chiếm khoảng một nửa trong số 9 tỷ đô la cơ hội của Cree về silicon carbide (SiC), trong khi các lĩnh vực năng lượng mặt trời, hàng không vũ trụ và cơ sở hạ tầng truyền thông là động lực chính của các nhu cầu khác. Theo dự báo gần đây của Canaccord Genuity Company, đến năm 2030, nhu cầu về silicon carbide (SiC) sẽ vượt quá 20 tỷ đô la.

Hình 2. MOSFET Cree 650V

Thiết bị điện silicon carbide (SiC) cũng có thể giúp các doanh nghiệp công nghiệp và năng lượng tối đa hóa tỷ lệ sử dụng điện và không gian. Silicon carbide (SiC) cung cấp cho nguồn điện công nghiệp tần số cao và nguồn điện liên tục hiệu suất cao hơn, mật độ công suất cao hơn và trọng lượng nhẹ hơn. Những lợi ích mà SiC mang lại vượt xa chi phí của chính nó.

Trong các lĩnh vực này, hiệu suất cao hơn có nghĩa là lợi nhuận cao hơn. Trong lĩnh vực điện tử công suất, hiệu suất của silicon carbide (SiC) cao hơn nhiều so với silicon (Si) và mật độ công suất của nó gấp ba lần silicon (Si), điều này làm cho hệ thống điện áp cao nhẹ hơn, nhỏ hơn, hiệu quả hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Hiệu suất tuyệt vời này đã đạt đến điểm bùng nổ và các nhà sản xuất không thể tiếp tục làm ngơ nếu họ muốn duy trì khả năng cạnh tranh trên thị trường hiện tại.

Tương lai bán dẫn

Chi phí là rào cản chính đối với việc áp dụng silicon carbide (SiC). Tuy nhiên, với sự cải thiện liên tục về sản lượng và kinh nghiệm, chi phí của nó cũng đang giảm. Do đó, việc sản xuất của nó trở nên hiệu quả và tinh tế hơn. Quan trọng hơn, khách hàng đã nhận ra rằng giá trị thực sự của silicon carbide (SiC) nằm ở cấp độ hệ thống, chứ không phải so sánh cấp độ thiết bị. Để đáp ứng nhu cầu của nhiều ngành công nghiệp khác nhau, việc sản xuất silicon carbide (SiC) sẽ được thúc đẩy hơn nữa và sản lượng sẽ tiếp tục tăng, do đó giá của nó sẽ tiếp tục giảm. Lấy Cree làm tham chiếu, Cree đã đầu tư quy mô lớn để đáp ứng những nhu cầu này, bao gồm cả việc xây dựng một nhà máy tại Tiểu bang New York áp dụng công nghệ tiên tiến và đáp ứng các tiêu chuẩn của quy định về xe cộ, điều này sẽ làm tăng năng lực sản xuất lên hơn 30 lần so với năm 2017.

Sự chuyển đổi từ silicon (Si) sang silicon carbide (SiC) không còn là câu hỏi liệu nó có xảy ra hay không và khi nào nó sẽ xảy ra. Chúng ta đã ở trong đó rồi. Thật thú vị khi được tham gia đầy đủ vào những thay đổi lớn của nhiều ngành công nghiệp. Tương lai của những ngành công nghiệp này sẽ không bao giờ tĩnh tại, và chúng ta chắc chắn sẽ tiếp tục chứng kiến ​​những thay đổi chưa từng có. Và những nhà sản xuất có thể nhanh chóng thích nghi với những thay đổi này chắc chắn sẽ gặt hái được những kết quả khả quan.