I moduli in carburo di silicio (SiC) sono considerati cruciali per migliorare l’efficienza dei sistemi di propulsione dei veicoli elettrici. Il significativo passaggio dai dispositivi basati sul silicio ai dispositivi al carburo di silicio contribuirà notevolmente ad aumentare la densità di potenza nei sistemi di alimentazione riducendo al contempo le dimensioni, il peso e, soprattutto, il costo dei veicoli elettrici. Questo perché, sebbene i semiconduttori di potenza a base di silicio siano ancora in fase di ottimizzazione, hanno raggiunto i loro limiti operativi in termini di perdite di conduzione e di commutazione. Il carburo di silicio, con la sua banda proibita più ampia (3.26 eV rispetto a 1.12 eV del silicio), può ridurre tali perdite e fornire eccellenti prestazioni ad alta temperatura e alta frequenza.

Molti produttori di chip SiC hanno già trasformato le loro linee di produzione di silicio da 150 mm nella produzione di SiC. Veliadis ha dichiarato: "L'approccio di grande successo finora è stato quello della lavorazione del carburo di silicio in fabbriche di silicio mature e completamente ammortizzate, con un investimento di capitale di circa 30 milioni di dollari, con rendimenti enormi". Il costo è particolarmente importante per i moduli di potenza. "Utilizzando il carburo di silicio, pagherete circa tre volte il costo dei chip semiconduttori, ma il costo complessivo del sistema finisce per essere inferiore a quello dei moduli di potenza in silicio, il che va contro l'intuizione. Ma la risposta è semplice. La capacità di operare in modo efficiente alle alte frequenze riduce significativamente il volume dei componenti magnetici e passivi, compensando il maggior costo di produzione dei chip."

Tuttavia, in questo settore non sono rimaste più vecchie fabbriche che possano permettersi una ristrutturazione da 30 milioni di dollari. Nuove fabbriche di wafer di carburo di silicio sono in rapida costruzione. Nel frattempo, le aziende che non producono wafer competono per la capacità.

"Abbiamo due mercati in competizione tra loro: il mercato automobilistico e quello delle energie rinnovabili, entrambi alla ricerca di capacità", ha affermato Ralf Bornefeld, Senior Vice President di Bosch Power Semiconductors and Modules. "La pandemia di COVID-19 ci ha insegnato che un mercato concorrente può bloccare un altro mercato, quindi dobbiamo tenerne conto". Bosch sta attualmente producendo moduli MOSFET SiC di terza generazione con una tensione di rottura di 1,200 V.

I dispositivi SiC sono particolarmente adatti per il settore automobilistico, in quanto possono funzionare a temperature più elevate in ambienti difficili, offrendo un'elevata densità di potenza. I dispositivi di potenza SiC raggiungono perdite di commutazione estremamente basse e una RDSon (resistenza tra source e drain) estremamente bassa durante il funzionamento. La minore RDSon è correlata a minori perdite di potenza nei MOSFET.

La capacità del dispositivo inizia con i materiali SiC. "La qualità del cristallo è stato il fattore chiave che tutti i produttori hanno affrontato negli ultimi 20 anni, ma ci sono ancora dislocazioni del piano basale, difetti di impilamento, ecc., nel cristallo che devono essere progettati per fabbricare 20, 30 e Dispositivi da 40 millimetri quadrati", ha affermato Christophe Maleville, vicepresidente senior di SOITEC Innovation. "Quando siamo entrati nel campo del carburo di silicio quattro anni fa, ciò che abbiamo notato per la prima volta è stata la variabilità da un lingotto all'altro e da un wafer all'altro, con cui gli ingegneri in genere devono regolare e convalidare l'epitassia. Quindi, la sua implementazione nella produzione non è ancora magro."

In termini di aspetti elettrici, i dispositivi di potenza possono essere sensibili a induttanze parassite, scintille e altri problemi. A differenza delle fabbriche analogiche a segnale misto in cui manca la riduzione, i parametri sono l'obiettivo principale e gli ingegneri energetici devono gestire le variazioni.

"In passato, (l'analogico) era privo di ritiro. Ma ora hanno processi maturi per i difetti", ha affermato Dieter Rathei, CEO di DR Yield. "Man mano che i semiconduttori composti come il carburo di silicio, il nitruro di gallio e l'arseniuro di gallio diventano più diffusi e crescono più rapidamente, i problemi di rendimento parametrico miglioreranno."