קדם את חישמול ה-SiC על ידי עלייה במדרגות אחת.איך המוליכים למחצה שלנו ישפרו את הביצועים של כלי רכב ותעשיות אחרות בעתיד? ג'ון פלמור, סמנכ"ל הטכנולוגיה של Wolfspeed of Cree Company

מערכות אספקת חשמל רבות עוברות מטכנולוגיית סיליקון (Si) לטכנולוגיית סיליקון קרביד (SiC). זהו השינוי הגדול ביותר שחווה תעשיית מוליכים למחצה מאז שינוי המוליכים למחצה הדו-קוטביים לטרנזיסטור דו-קוטבי מבודד (IGBT) בשנות ה-1980. במקביל לשינוי זה, תעשיות רבות המושפעות ממנו חוות גם תקופה יוצאת דופן של שינוי מקיף. מתעשיית הרכב ועד אנרגיה סולארית, היתרונות של סיליקון קרביד (SiC) הפכו ניכרים. בעודם עוברים שינויים גדולים, כל היצרנים הגדולים עושים מאמצים לשלב עוד יותר סיליקון קרביד (SiC) בטכנולוגיות שלהם.

תעשיית הרכב היא דוגמה טיפוסית לשינויים חסרי תקדים בתעשייה המודרנית. בעשור הקרוב, תעשיית הרכב תעבור ממנוע בעירה פנימית לחשמול. הטרנספורמציה מסיליקון (Si) לסיליקון קרביד (SiC) ממלאת תפקיד חשוב בסיוע לכלי רכב חשמליים לענות על צורכי הצרכנים, ובמקביל, הוא יכול לעמוד בתקנות הממשלה על השפעת שינויי האקלים. פתרונות סיליקון קרביד (SiC) מסייעים לכלי רכב חשמליים "על ידי עלייה במדרגות אחת", משדרגים יישומים כמו תשתית טעינה מהירה, מהפך כונן ואספקת חשמל, ומקדמים את התקדמות הטלקומוניקציה ויישומי התעופה והחלל.

איור 1. עובדי קרי במעבדה

הזדמנות לרכב חשמלי

עם הביקוש הגובר של הצרכנים והתחזקות התקנות הממשלתיות, יצרניות רכב כמו טסלה, פורד ופולקסווגן הודיעו כי ישקיעו יותר מ-300 מיליארד דולר בכלי רכב חשמליים בעשור הקרוב. אנליסטים צופים שעד שנת 2030, מספר כלי הרכב החשמליים הטהורים (BEV) יגיע ל-15% ממספר המכוניות הכולל. לכן, בשנים הקרובות יגדל שוק רכיבי הסיליקון קרביד (SiC) לרכבים חשמליים באופן אקספוננציאלי.

חשמול כל כך חשוב עד שהיצרנים לא יכולים עוד להעלים עין מהיתרונות של סיליקון קרביד (SiC). בהשוואה לטכנולוגיית סיליקון (Si) המשמשת בכלי רכב חשמליים מסורתיים, סיליקון קרביד (SiC) יכול להגדיל את חיי הסוללה, לשפר את ביצועיה ולקצר את זמן הטעינה. לכן, ספקים רבים הודיעו על שיתוף הפעולה שלהם עם Cree לפיתוח תוכניות רכב חשמלי. לדוגמה, דלפי טכנולוגיות מפתחת מערכת אינוורטר יעילה יותר, קטנה וקלה יותר באמצעות מוליכים למחצה סיליקון קרביד (SiC), בעוד שקבוצת ZF מפתחת מערכת הנעה חשמלית. קבוצת ABB מפתחת ומספקת מערכות חשמל שונות באמצעות סיליקון קרביד (SiC).

שיפור יעילות

אובדן המיתוג של סיליקון קרביד (SiC) נמוך בהרבה מזה של IGBT מבוסס סיליקון (Si). בנוסף, להתקן סיליקון קרביד אין מתח מובנה, ואובדן ההולכה שלו נמוך באופן ברור. לכן, לסיליקון קרביד (SiC) צפיפות הספק גבוהה יותר, משקל קל יותר ותדר פעולה גבוה יותר. במבחן רכב שנערך לאחרונה, בהשוואה לסיליקון (Si), טכנולוגיית הסיליקון קרביד (SiC) של Cree הפחיתה את אובדן הממיר בכ-78%. בתחום הרכב, שיפורי יעילות אלה ניתנים ליישום על פתרונות מערכת הנעה, ממירי כוח, ומטענים שאינם מובנים ומטענים מובנים. בהשוואה לפתרונות מסורתיים מבוססי סיליקון (Si), סיליקון קרביד (SiC) יכול לשפר את היעילות הכוללת של כלי רכב חשמליים ב-5% עד 10%. יצרנים יכולים להשתמש בכך כדי להגדיל את טווח השיוט או להפחית את השימוש בסוללות מגושמות ויקרות.

בנוסף, סיליקון קרביד (SiC) יכול גם להפחית את דרישות הקירור, לחסוך במקום, ומשקלו קל יותר מזה של תכנית מבוססת סיליקון (Si). סיליקון קרביד (SiC) יכול גם לספק תמיכה במטענים מהירים, וניתן להגדיל את חיי הסוללה ב-75 מיילים לאחר טעינה של 5 דקות כיום.

הירידה המתמשכת בעלות של פתרונות סיליקון קרביד (SiC) הובילה לעלייה נוספת בשיעור האימוץ שלה. אם לוקחים מכוניות כדוגמה, אנו מעריכים כי הערך של רכיבי סיליקון קרביד (SiC) המשמשים ברכב חשמלי הוא כ-250 עד 500 דולר (בהתאם לדרישות ההספק שלו). העלות הכוללת שנחסכת על ידי יצרני רכב במונחים של עלות סוללה, נפח ומשקל של סוללות וממירים, ודרישות הקירור של כל רכב חשמלי יכולה להגיע עד 2,000 דולר. למרות שגורמים רבים מניעים את השינוי מסיליקון (Si) לסיליקון קרביד (SiC), זה המפתח.

מחוץ לתעשיית הרכב

הביקוש של תעשיית הרכב מהווה כמחצית מההזדמנות של קרי של 9 מיליארד דולר לסיליקון קרביד (SiC), בעוד שתחומי האנרגיה הסולארית, תעופה וחלל ותשתיות תקשורת הם המניעים העיקריים של דרישות אחרות. על פי התחזית האחרונה של חברת Canaccord Genuity, עד שנת 2030, הביקוש לסיליקון קרביד (SiC) יעלה על 20 מיליארד דולר.

איור 2. רכיב MOSFET של קרי 650 וולט

התקני כוח של סיליקון קרביד (SiC) יכולים גם לעזור למפעלי תעשייה ואנרגיה למקסם את קצב הניצול של חשמל וחלל. סיליקון קרביד (SiC) מספק אספקת חשמל תעשייתית בתדר גבוה ואספקת אל פסק עם יעילות גבוהה יותר, צפיפות הספק גבוהה יותר ומשקל קל יותר. היתרונות שהביאה SiC עולים בהרבה על העלות שלה.

בתחומים אלו יעילות גבוהה יותר פירושה רווחים גבוהים יותר. בתחום האלקטרוניקה ההספק, היעילות של סיליקון קרביד (SiC) גבוהה בהרבה מזו של סיליקון (Si), וצפיפות ההספק שלו היא פי שלושה מזו של סיליקון (Si), מה שהופך את מערכת המתח הגבוה לקלה יותר, קטנה יותר, יעילה וחסכונית יותר. הביצועים המצוינים הללו הגיעו לנקודה הנפיצה, והיצרנים כבר לא יכולים להעלים עין מהם אם הם רוצים להישאר תחרותיים בשוק הנוכחי.

עתיד מוליכים למחצה

העלות היא המכשול העיקרי לאימוץ של סיליקון קרביד (SiC). עם זאת, עם השיפור המתמיד של התפוקה והניסיון, גם העלות שלו יורדת. לכן, ייצורו הופך יעיל ומעודן יותר. חשוב מכך, לקוחות הבינו שהערך האמיתי של סיליקון קרביד (SiC) טמון ברמת המערכת, ולא בהשוואת רמת המכשיר. על מנת לתת מענה לצרכים של תעשיות שונות, יקודם עוד יותר ייצור סיליקון קרביד (SiC), והתפוקה תמשיך לעלות, ובכך מחירו ימשיך לרדת. בהתייחס לקרי כאסמכתא, קרי ביצעה השקעה בקנה מידה גדול על מנת לעמוד בדרישות אלו, לרבות הקמת מפעל במדינת ניו יורק שמאמץ טכנולוגיה מתקדמת ועומד בסטנדרטים של תקנות הרכב, מה שיגדיל את כושר הייצור ליותר מפי 30 מזה של 2017.

הטרנספורמציה מסיליקון (Si) לסיליקון קרביד (SiC) היא כבר לא שאלה של האם ומתי זה יקרה. אנחנו כבר בתוכו. זה מרגש להשתתף באופן מלא בשינויים הגדולים של תעשיות רבות. העתיד של תעשיות אלו לעולם לא יהיה סטטי, ובוודאי נמשיך לראות שינויים חסרי תקדים. ואותם יצרנים שיוכלו להסתגל במהירות לשינויים הללו, בוודאי יקצרו תוצאות פוריות.