Source: This article comes from John Palmour, chief technical officer of Wolfspeed, Cree.

Muchos sistemas de energía están migrando de la tecnología de silicio (Si) a la de carburo de silicio (SiC). Este será el mayor cambio que haya experimentado la industria de semiconductores de potencia desde la transición de semiconductores bipolares a transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) en la década de 1980. Este cambio se produce en un momento en que muchas de las industrias afectadas atraviesan un período inusual de transformación radical. Desde la industria automotriz hasta la energía solar, las ventajas del carburo de silicio (SiC) se han vuelto innegables. En medio de esta transformación significativa, todos los actores principales trabajan para integrar aún más el carburo de silicio (SiC) en sus tecnologías.

La industria automotriz es un claro ejemplo de una industria moderna que experimenta cambios sin precedentes. Durante la próxima década, la industria automotriz transitará de los motores de combustión interna a la electrificación. La conversión de silicio (Si) a carburo de silicio (SiC) desempeña un papel fundamental para que los vehículos eléctricos sean más eficientes y satisfagan las demandas de los consumidores, al tiempo que cumplen con las regulaciones gubernamentales que abordan los efectos del cambio climático. Las soluciones de carburo de silicio (SiC) están impulsando el desarrollo de los vehículos eléctricos, mejorando aplicaciones como la infraestructura de carga rápida, los inversores de accionamiento y las fuentes de alimentación, y posibilitando avances en aplicaciones como las telecomunicaciones, el sector militar y el aeroespacial.

Figura 1. Empleados Cree en el laboratorio

Oportunidades para vehículos eléctricos

Fabricantes de automóviles como Tesla, Ford y Volkswagen han anunciado planes para invertir más de 300 mil millones de dólares en vehículos eléctricos durante la próxima década, a medida que la demanda de los consumidores continúa creciendo y las regulaciones gubernamentales se vuelven más estrictas. Los analistas predicen que los vehículos eléctricos de batería (VEB) representarán el 15 % del parque automotor para 2030. Como resultado, el mercado de componentes de carburo de silicio (SiC) para vehículos eléctricos crecerá exponencialmente en los próximos años.

Con tanto énfasis en la electrificación, los fabricantes ya no pueden ignorar las ventajas del carburo de silicio (SiC). El carburo de silicio (SiC) aumenta la autonomía de la batería, mejora su rendimiento y reduce los tiempos de carga en comparación con la tecnología de silicio (Si) utilizada en los vehículos eléctricos convencionales. Como resultado, muchos proveedores han anunciado iniciativas de vehículos eléctricos con Cree. Delphi Technologies, por ejemplo, está desarrollando sistemas de inversores más eficientes, pequeños y ligeros utilizando semiconductores de carburo de silicio (SiC), mientras que ZF Group está desarrollando sistemas de propulsión totalmente eléctricos. ABB Group está desarrollando y suministrando diversos sistemas de energía basados ​​en carburo de silicio (SiC).

Mejora de la eficiencia

El carburo de silicio (SiC) presenta pérdidas de conmutación mucho menores que los IGBT basados ​​en silicio (Si). Además, los dispositivos de carburo de silicio no tienen tensión interna y sus pérdidas por conducción son significativamente menores. Como resultado, el carburo de silicio (SiC) ofrece una mayor densidad de potencia, es más ligero y opera a frecuencias más altas. En una prueba reciente para el sector automotriz, la tecnología de carburo de silicio (SiC) de Cree redujo las pérdidas del inversor en aproximadamente un 78 % en comparación con el silicio (Si).

En el sector automotriz, estas mejoras de eficiencia se pueden aplicar a sistemas de propulsión, convertidores de potencia y cargadores externos e integrados. El carburo de silicio (SiC) puede aumentar la eficiencia general de los vehículos eléctricos entre un 5 % y un 10 % en comparación con las soluciones tradicionales basadas en silicio (Si). Los fabricantes pueden utilizarlo para incrementar la autonomía o reducir la necesidad de baterías voluminosas y costosas. Además, el carburo de silicio (SiC) reduce los requisitos de refrigeración, ahorra espacio y es más ligero que las soluciones basadas en silicio (Si). El carburo de silicio (SiC) también se utiliza en cargadores rápidos, que actualmente aumentan la autonomía en 75 km en tan solo 5 minutos.

La continua disminución del costo de las soluciones de carburo de silicio (SiC) ha impulsado su adopción. Tomando como ejemplo los automóviles, estimamos que los componentes de carburo de silicio (SiC) utilizados en un vehículo eléctrico tienen un valor aproximado de entre 250 y 500 dólares (dependiendo de sus requisitos de potencia). El ahorro total para los fabricantes de automóviles en costos de baterías, tamaño y peso de baterías e inversores, y requisitos de refrigeración puede alcanzar los 2,000 dólares por vehículo eléctrico. Si bien existen muchos otros factores que impulsan la transición del silicio (Si) al carburo de silicio (SiC), este punto es fundamental.

Fuera de la industria automotriz

La demanda de la industria automotriz representa aproximadamente la mitad de la oportunidad de carburo de silicio (SiC) de Cree, valorada en 9 mil millones de dólares, mientras que la energía solar, la industria aeroespacial y de defensa, y la infraestructura de comunicaciones son otros importantes impulsores de la demanda. Según estimaciones recientes de Canaccord Genuity, la demanda de carburo de silicio (SiC) superará los 20 mil millones de dólares para 2030.

图2. MOSFET Cree de 650V

Los dispositivos de potencia de carburo de silicio (SiC) también ayudan a las empresas industriales y energéticas a maximizar el aprovechamiento de la energía y el espacio. El carburo de silicio (SiC) proporciona a las fuentes de alimentación industriales de alta frecuencia y a los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) mayor eficiencia, mayor densidad de potencia y menor peso, y sus beneficios superan con creces su coste. En estos sectores, una mayor eficiencia se traduce en mayores beneficios.

En el campo de la electrónica de potencia, el carburo de silicio (SiC) es mucho más eficiente que el silicio (Si) y tiene tres veces la densidad de potencia, lo que permite fabricar sistemas de alto voltaje más ligeros, compactos, eficientes y económicos. Este rendimiento superior ha alcanzado un punto crítico y los fabricantes ya no pueden ignorarlo si quieren seguir siendo competitivos en el mercado actual.

El futuro de los semiconductores

El coste ha sido anteriormente una barrera importante para la adopción del carburo de silicio (SiC). Sin embargo, a medida que la producción y la experiencia siguen aumentando, sus costes continúan disminuyendo. Como resultado, su fabricación también se ha vuelto más eficiente y refinada. Además, los clientes están comprendiendo que el verdadero valor del carburo de silicio (SiC) reside en el nivel del sistema, más que en las comparaciones a nivel de dispositivo. Para satisfacer las necesidades de diversas industrias, la fabricación de carburo de silicio (SiC) seguirá mejorando, la producción continuará creciendo y su precio continuará bajando. Tomando a Cree como referencia, esta empresa ha realizado importantes inversiones para satisfacer estas necesidades, incluyendo la construcción de una fábrica en el estado de Nueva York que utiliza tecnología de vanguardia y cumple con los estándares de la industria automotriz, lo que aumentará la capacidad de producción a más de 30 veces la de 2017.

La transición del silicio (Si) al carburo de silicio (SiC) ya no es una cuestión de si ocurrirá o no, sino que ya estamos inmersos en ella. Es emocionante participar plenamente en los enormes cambios que se están produciendo en muchos sectores. El futuro de estas industrias no es estático, y sin duda seguiremos presenciando transformaciones sin precedentes. Los fabricantes que logren adaptarse rápidamente a estos cambios obtendrán resultados muy beneficiosos.

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