نیمه‌هادی‌های قدرت، آغازگر عصر SiC (بخش اول)

معرفی:

به دلیل افزایش تقاضا در بازار پایانه های خودرو و برابری قیمت با سیلیکون، تولید کاربید سیلیکون (SiC) به سرعت در حال رشد است.

هزاران ماژول نیمههادی قدرت در حال حاضر در خودروهای الکتریکی برای شارژ داخلی، اینورترهای کششی و تبدیل DC به DC استفاده شدهاند. اکثر آنها در حال حاضر با استفاده از IGBT های مبتنی بر سیلیکون تولید میشوند. با این حال، تغییر به MOSFET های مبتنی بر SiC چگالی توان را دو برابر کرده و سرعت سوئیچینگ را در بستههای کوچکتر و سبکتر افزایش داده است.

الزامات ولتاژ بالا و عملکرد در محیطهای گرم و خشن برای وسایل نقلیه الکتریکی و ایستگاههای شارژ به طور فزایندهای مورد توجه قرار میگیرد. با این حال، به دلیل هزینههای بالاتر تولید و بستهبندی مواد با شکاف باند وسیع، مدتی طول میکشد تا کاربید سیلیکون (SiC) جایگاه محکمی پیدا کند. با این وجود، این وضعیت در حال تغییر است. ویکتور ولیادیس، مدیر اجرایی و مدیر ارشد فناوری PowerAmerica، اظهار داشت که قیمت ماژولهای برق SiC اکنون با ماژولهای مبتنی بر سیلیکون قابل مقایسه است، که به نوبه خود باعث افزایش مشارکت در تأمین و ساخت کارخانههای جدید SiC میشود.

هنوز کار زیادی برای انجام دادن وجود دارد. فناوری ویفر SiC باید ارتقا یابد. ساخت این دستگاه ها به 20 درصد ابزارهای فرآیندی جدید و 80 درصد ابزارهای بهبود یافته نیاز دارد. هدف ما تسریع سرعت گردش دستگاههای قدرت یکپارچه و گسسته است، به همین دلیل است که سازندگان خودرو به همکاری مستقیم ویفر به ماژول با ریختهگری روی آوردهاند.

بازار و فناوری قدرت SiC و GaN

تا سال 2030، جهان 39 میلیون وسیله نقلیه الکتریکی خالص تولید خواهد کرد که معادل نرخ رشد ترکیبی سالانه 22 درصدی از سال 2022 تا 2030 است. دستگاههای کاربید سیلیکون و 50 درصد از دستگاههای نیترید گالیوم انتظار میرود تا سال 35 در بازار مورد استفاده قرار گیرند. در خودروهای الکتریکی، اینورترهای کششی نیروی DC را از بسته باتری به برق AC تبدیل میکنند تا نیرویی برای به حرکت درآوردن موتورهای جلو و عقب فراهم کنند. SiC همچنین می تواند شارژ سیستم های داخل و خارج از برد را تسریع کند و برق را از شبکه به خودروهای الکتریکی برساند.

مهمتر از همه، ماژول های SiC سنگ بنای انتقال از باتری های 400 ولتی به باتری های 800 ولتی را تشکیل می دهند. هنگامی که سرعت شارژ سریعتر است، محدوده رانندگی کافی است و هزینه بسته باتری برای هر وسیله نقلیه کمتر از 10,000 دلار است، مصرف کنندگان خودروهای برقی را سریعتر انتخاب می کنند.

ماژول های SiC در حال رسیدن به نقطه حساسی هستند که در آن با راه حل های قدرت مبتنی بر سیلیکون رقابتی مقرون به صرفه هستند و در عین حال به راندمان بالاتر و سیستم های فشرده تر دست می یابند. همراه با گسترش محدوده باتری 800 ولت از باتری های 400 ولت مورد استفاده فعلی (شامل دستگاه های 600 ولت یا 650 ولت)، تولید انبوه دستگاه های 1,200 ولت SiC در حال تحریک است. با این حال، تغییرات زنجیره تامین مانند تاثیر عیوب کریستال ویفر بر عملکرد، تلفات در بسته بندی دستگاه و یکپارچه سازی ماژول، و ارتباطات نزدیک تر بین تولید کنندگان خودرو و سازندگان سیستم های قدرت همچنان ادامه دارد. از منظر عملی، برای رسیدن به تولید انبوه ظرفیت ویفر SiC و ویفر جدید، مدتی طول خواهد کشید.

با این حال، این اشتیاق مردم به این فناوری را کاهش نداده است. تحلیلگران به افزایش پیش بینی های بازار SiC خود ادامه می دهند. Yole Group پیشبینی میکند که بازار نیمههادیهای قدرت تا سال 6.3 به 2027 میلیارد دلار خواهد رسید که 70 درصد آن برای کاربردهای خودرویی است. تنها با نگاهی به تولید ویفر SiC (از ویفرهای SiC شروع می شود)، TECHCET نرخ رشد سالانه ترکیبی 14 درصد را از سال 2022 تا 2027 پیش بینی می کند.