Promuovi l'elettrificazione del SiC salendo una rampa di scale. In che modo i nostri semiconduttori miglioreranno le prestazioni delle automobili e di altri settori in futuro? John Palmour, Direttore Tecnico di Wolfspeed di Cree Company

Molti sistemi di alimentazione stanno passando dalla tecnologia al silicio (Si) a quella al carburo di silicio (SiC). Questo rappresenterà il più grande cambiamento sperimentato dall'industria dei semiconduttori di potenza da quando, negli anni '1980, i semiconduttori bipolari sono passati ai transistor bipolari a gate isolato (IGBT). Parallelamente a questa trasformazione, molti settori interessati stanno vivendo un insolito periodo di profonda trasformazione. Dall'industria automobilistica all'energia solare, i vantaggi del carburo di silicio (SiC) sono diventati evidenti. Pur attraversando grandi cambiamenti, tutti i principali produttori si stanno impegnando per integrare ulteriormente il carburo di silicio (SiC) nelle proprie tecnologie.

L'industria automobilistica è un tipico esempio di cambiamenti senza precedenti nell'industria moderna. Nel prossimo decennio, l'industria automobilistica passerà dai motori a combustione interna all'elettrificazione. La trasformazione dal silicio (Si) al carburo di silicio (SiC) svolge un ruolo importante nel supportare i veicoli elettrici nel soddisfare le esigenze dei consumatori e, allo stesso tempo, nel rispettare le normative governative sull'impatto dei cambiamenti climatici. Le soluzioni in carburo di silicio (SiC) stanno aiutando i veicoli elettrici a "fare un passo avanti", aggiornando applicazioni come infrastrutture di ricarica rapida, inverter e alimentatori, e promuovendo il progresso delle telecomunicazioni e delle applicazioni aerospaziali.

Figura 1. Dipendenti Cree in laboratorio

Opportunità di veicoli elettrici

Con la crescente domanda dei consumatori e il rafforzamento delle normative governative, case automobilistiche come Tesla, Ford e Volkswagen hanno annunciato che investiranno oltre 300 miliardi di dollari in veicoli elettrici nel prossimo decennio. Gli analisti prevedono che entro il 2030 il numero di veicoli esclusivamente elettrici (BEV) raggiungerà il 15% del parco automobilistico totale. Pertanto, nei prossimi anni, il mercato dei componenti in carburo di silicio (SiC) per veicoli elettrici crescerà esponenzialmente.

L'elettrificazione è così importante che i produttori non possono più ignorare i vantaggi del carburo di silicio (SiC). Rispetto alla tecnologia al silicio (Si) utilizzata nei veicoli elettrici tradizionali, il carburo di silicio (SiC) può aumentare la durata della batteria, migliorarne le prestazioni e ridurre i tempi di ricarica. Per questo motivo, molti fornitori hanno annunciato la loro collaborazione con Cree per lo sviluppo di progetti di veicoli elettrici. Ad esempio, Delphi Technologies sta sviluppando un sistema inverter più efficiente, compatto e leggero che utilizza semiconduttori in carburo di silicio (SiC), mentre il Gruppo ZF sta sviluppando un sistema di propulsione completamente elettrico. Il Gruppo ABB sta sviluppando e fornendo diversi sistemi di alimentazione che utilizzano il carburo di silicio (SiC).

Miglioramento dell'efficienza

La perdita di commutazione del carburo di silicio (SiC) è molto inferiore a quella degli IGBT basati su silicio (Si). Inoltre, il dispositivo in carburo di silicio non ha tensione incorporata e la sua perdita di conduzione è ovviamente bassa. Pertanto, il carburo di silicio (SiC) ha una maggiore densità di potenza, un peso inferiore e una frequenza operativa più elevata. In un recente test automobilistico, rispetto al silicio (Si), la tecnologia al carburo di silicio (SiC) di Cree ha ridotto la perdita dell'inverter di circa il 78%. Nel settore automobilistico, questi miglioramenti dell'efficienza possono essere applicati a soluzioni di propulsione, convertitori di potenza e caricabatterie di bordo e non di bordo. Rispetto alle tradizionali soluzioni basate su silicio (Si), il carburo di silicio (SiC) può migliorare l'efficienza complessiva dei veicoli elettrici dal 5% al ​​10%. I produttori possono utilizzare questa tecnologia per aumentare l'autonomia di viaggio o ridurre l'uso di batterie ingombranti e costose.

Inoltre, il carburo di silicio (SiC) può anche ridurre i requisiti di raffreddamento, risparmiare spazio e il suo peso è inferiore a quello dei sistemi basati sul silicio (Si). Il carburo di silicio (SiC) può anche supportare i caricabatterie rapidi e, attualmente, l'autonomia della batteria può essere aumentata di 75 km con una ricarica di 5 minuti.

La continua riduzione del costo delle soluzioni in carburo di silicio (SiC) ha portato a un ulteriore aumento del tasso di adozione. Prendendo ad esempio le automobili, stimiamo che il valore dei componenti in carburo di silicio (SiC) utilizzati in un veicolo elettrico sia compreso tra 250 e 500 dollari (a seconda del fabbisogno energetico). Il risparmio totale per i produttori di automobili in termini di costo delle batterie, volume e peso di batterie e inverter, e requisiti di raffreddamento di ciascun veicolo elettrico può arrivare fino a 2,000 dollari. Sebbene molti fattori stiano guidando la trasformazione dal silicio (Si) al carburo di silicio (SiC), questo è il fattore chiave.

Al di fuori del settore automobilistico

La domanda dell'industria automobilistica rappresenta circa la metà del valore di 9 miliardi di dollari di carburo di silicio (SiC) investito da Cree, mentre i settori dell'energia solare, aerospaziale e delle infrastrutture di comunicazione sono i principali motori delle altre richieste. Secondo le recenti previsioni di Canaccord Genuity Company, entro il 2030 la domanda di carburo di silicio (SiC) supererà i 20 miliardi di dollari.

Figura 2. MOSFET Cree da 650 V

I dispositivi di potenza in carburo di silicio (SiC) possono anche aiutare le aziende industriali ed energetiche a massimizzare il tasso di utilizzo di elettricità e spazio. Il carburo di silicio (SiC) conferisce agli alimentatori industriali ad alta frequenza e ai gruppi di continuità una maggiore efficienza, una maggiore densità di potenza e un peso inferiore. I vantaggi offerti dal SiC superano di gran lunga il suo costo.

In questi settori, una maggiore efficienza si traduce in maggiori profitti. Nel campo dell'elettronica di potenza, l'efficienza del carburo di silicio (SiC) è molto superiore a quella del silicio (Si) e la sua densità di potenza è tre volte superiore a quella del silicio (Si), il che rende il sistema ad alta tensione più leggero, più piccolo, più efficiente e più conveniente. Queste eccellenti prestazioni hanno raggiunto il punto di massima espansione e i produttori non possono più ignorarle se vogliono rimanere competitivi nel mercato attuale.

Il futuro dei semiconduttori

Il costo è il principale ostacolo all'adozione del carburo di silicio (SiC). Tuttavia, con il continuo miglioramento della produzione e dell'esperienza, anche il suo costo sta diminuendo. Pertanto, la sua produzione diventa più efficiente e raffinata. Ancora più importante, i clienti hanno iniziato a comprendere che il vero valore del carburo di silicio (SiC) risiede nel confronto a livello di sistema, piuttosto che a livello di dispositivo. Per soddisfare le esigenze di diversi settori, la produzione di carburo di silicio (SiC) verrà ulteriormente promossa e la produzione continuerà ad aumentare, con conseguente ulteriore calo del suo prezzo. Prendendo come esempio Cree, Cree ha effettuato un investimento su larga scala per soddisfare queste esigenze, tra cui la costruzione di uno stabilimento nello Stato di New York che adotta tecnologie all'avanguardia e soddisfa gli standard delle normative sui veicoli, aumentando la capacità produttiva di oltre 30 volte rispetto al 2017.

La trasformazione dal silicio (Si) al carburo di silicio (SiC) non è più una questione di se e quando avverrà. Ci siamo già dentro. È entusiasmante partecipare attivamente ai grandi cambiamenti di molti settori. Il futuro di questi settori non sarà mai statico e continueremo certamente ad assistere a cambiamenti senza precedenti. E i produttori che sapranno adattarsi rapidamente a questi cambiamenti raccoglieranno sicuramente risultati fruttuosi.