Semikonduktor kuasa mengalu-alukan era SiC (Bahagian Dua)

Modul silikon karbida (SiC) dianggap penting untuk meningkatkan kecekapan sistem powertrain kenderaan elektrik. Peralihan ketara daripada peranti berasaskan silikon kepada peranti silikon karbida akan menyumbang kepada peningkatan ketumpatan kuasa dalam sistem kuasa sambil mengurangkan saiz, berat dan yang paling penting, kos kenderaan elektrik. Ini kerana walaupun semikonduktor kuasa berasaskan silikon masih dioptimumkan, mereka telah mencapai had operasinya dari segi kehilangan pengaliran dan pensuisan. Silikon karbida, dengan jurang jalurnya yang lebih luas (3.26eV berbanding dengan 1.12eV silikon), boleh mengurangkan kehilangan sedemikian dan memberikan prestasi suhu tinggi dan frekuensi tinggi yang sangat baik.

Banyak pengeluar cip SiC telah mengubah barisan pengeluaran silikon 150mm mereka kepada pembuatan SiC. Veliadis menyatakan, "Pendekatan yang sangat berjaya setakat ini telah memproses silikon karbida dalam kilang silikon yang matang, susut nilai sepenuhnya, dengan pelaburan modal sekitar $30 juta, menghasilkan pulangan yang besar." Kos amat penting untuk modul kuasa. "Dengan menggunakan silikon karbida, anda akan membayar kira-kira tiga kali ganda kos untuk cip semikonduktor, tetapi kos keseluruhan sistem akhirnya menjadi lebih rendah daripada modul kuasa silikon, yang bertentangan dengan gerak hati. Tetapi jawapannya mudah. Keupayaan untuk beroperasi dengan cekap pada frekuensi tinggi dengan ketara mengurangkan volum komponen magnetik dan pasif, mengimbangi kos pembuatan cip yang lebih tinggi."

Walau bagaimanapun, tidak ada kilang lama lagi yang mampu melakukan pengubahsuaian $30 juta dalam industri ini. Kilang wafer silikon karbida baharu sedang dalam pembinaan dengan pantas. Sementara itu, syarikat bukan wafer bersaing untuk mendapatkan kapasiti.

"Kami mempunyai dua pasaran yang saling bersaing—pasaran automotif dan pasaran tenaga boleh diperbaharui, kedua-duanya mencari kapasiti," kata Ralf Bornefeld, Naib Presiden Kanan Bosch Power Semiconductors and Modules. "Kami telah belajar daripada pandemik COVID-19 bahawa pasaran yang bersaing boleh menutup pasaran lain, jadi kami perlu mengambil kira perkara itu." Bosch kini menghasilkan modul SiC MOSFET generasi ketiga dengan voltan pecahan 1,200V.

Peranti SiC amat sesuai untuk kereta kerana ia boleh beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dalam persekitaran yang keras, memberikan ketumpatan kuasa tinggi. Peranti kuasa SiC mencapai kehilangan suis yang sangat rendah dan RDSon ultralow (rintangan antara sumber dan longkang apabila beroperasi). RDSon yang lebih kecil dikaitkan dengan kehilangan kuasa yang lebih rendah dalam MOSFET.

Keupayaan peranti bermula dengan bahan SiC. "Kualiti kristal telah menjadi faktor utama yang telah ditangani oleh semua pemain sejak 20 tahun yang lalu, tetapi masih terdapat kehelan satah asas, kerosakan susunan, dll., dalam kristal yang perlu direka bentuk untuk menghasilkan 20, 30, dan Peranti 40 milimeter persegi," kata Christophe Maleville, Naib Presiden Kanan SOITEC Innovation. "Apabila kami memasuki bidang silikon karbida empat tahun lalu, perkara pertama yang kami perhatikan ialah terdapat kebolehubahan dari satu jongkong ke jongkong yang lain dan dari satu wafer ke wafer yang lain, yang biasanya jurutera perlu menyesuaikan dan mengesahkan penggunaan epitaksi. Jadi, pelaksanaannya dalam pembuatan masih belum kurus."

Dari segi aspek elektrik, peranti kuasa boleh menjadi sensitif kepada aruhan parasit, percikan api dan cabaran lain. Tidak seperti kilang isyarat campuran analog yang kekurangan pengecutan, parameter adalah fokus utama dan jurutera kuasa perlu menangani variasi.

"Pada masa lalu, (analog) kekurangan pengecutan. Tetapi mereka mempunyai proses matang untuk kecacatan sekarang," kata Dieter Rathei, Ketua Pegawai Eksekutif DR Yield. "Memandangkan semikonduktor kompaun seperti silikon karbida, galium nitrida, dan galium arsenide menjadi lebih arus perdana dan berkembang lebih cepat, isu hasil parametrik akan bertambah baik."