Source: This article comes from John Palmour, chief technical officer of Wolfspeed, Cree.

Muitos sistemas de energia estão passando por uma transição da tecnologia de silício (Si) para a tecnologia de carboneto de silício (SiC). Essa será a maior mudança que a indústria de semicondutores de potência experimentou desde a transição de semicondutores bipolares para transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) na década de 1980. Essa mudança está ocorrendo em um momento em que muitas das indústrias afetadas por ela estão passando por um período incomum de transformações profundas. Da indústria automotiva à energia solar, as vantagens do carboneto de silício (SiC) tornaram-se inegáveis. Enquanto passam por mudanças significativas, todos os principais players estão trabalhando para integrar ainda mais o carboneto de silício (SiC) em suas tecnologias.

A indústria automotiva é um excelente exemplo de uma indústria moderna passando por mudanças sem precedentes. Na próxima década, a indústria automotiva fará a transição dos motores de combustão interna para a eletrificação. A conversão de silício (Si) em carboneto de silício (SiC) desempenha um papel significativo na otimização da eficiência dos veículos elétricos para atender às demandas dos consumidores, ao mesmo tempo que cumpre as regulamentações governamentais relacionadas aos efeitos das mudanças climáticas. As soluções em carboneto de silício (SiC) estão ajudando a levar os veículos elétricos a um novo patamar, aprimorando aplicações como infraestrutura de carregamento rápido, inversores de potência e fontes de alimentação, e possibilitando avanços em aplicações como telecomunicações, setor militar e aeroespacial.

Figura 1. Funcionários da Cree no laboratório

Oportunidades para veículos elétricos

Montadoras como Tesla, Ford e Volkswagen anunciaram planos para investir mais de US$ 300 bilhões em veículos elétricos na próxima década, à medida que a demanda do consumidor continua a crescer e as regulamentações governamentais se tornam mais rigorosas. Analistas preveem que os veículos elétricos a bateria (BEVs) representarão 15% da frota de veículos até 2030. Como resultado, o mercado de componentes de carboneto de silício (SiC) para veículos elétricos crescerá exponencialmente nos próximos anos.

Com tanta ênfase na eletrificação, os fabricantes não podem mais ignorar as vantagens do carboneto de silício (SiC). O carboneto de silício (SiC) aumenta a autonomia da bateria, melhora seu desempenho e reduz os tempos de carregamento em comparação com a tecnologia de silício (Si) usada em veículos elétricos convencionais. Como resultado, muitos fornecedores anunciaram iniciativas para veículos elétricos com a Cree. A Delphi Technologies, por exemplo, está desenvolvendo sistemas inversores mais eficientes, menores e mais leves usando semicondutores de carboneto de silício (SiC), enquanto o Grupo ZF está desenvolvendo sistemas de propulsão totalmente elétricos. O Grupo ABB está desenvolvendo e fornecendo diversos sistemas de energia baseados em carboneto de silício (SiC).

Melhoria de eficiência

O carbeto de silício (SiC) apresenta perdas de comutação muito menores do que os IGBTs baseados em silício (Si). Além disso, os dispositivos de carbeto de silício não possuem tensão interna e suas perdas de condução são significativamente menores. Como resultado, o carbeto de silício (SiC) possui maior densidade de potência, é mais leve e opera em frequências mais altas. Em um teste automotivo recente, a tecnologia de carbeto de silício (SiC) da Cree reduziu as perdas do inversor em aproximadamente 78% em comparação com o silício (Si).

No setor automotivo, essas melhorias de eficiência podem ser utilizadas em soluções de powertrain, conversores de energia e carregadores de bordo e externos. O carboneto de silício (SiC) pode aumentar a eficiência geral dos veículos elétricos em 5% a 10% em comparação com as soluções tradicionais à base de silício (Si). Os fabricantes podem usar isso para aumentar a autonomia ou reduzir a necessidade de baterias volumosas e caras. Além disso, o carboneto de silício (SiC) reduz as necessidades de refrigeração, economiza espaço e é mais leve do que as soluções à base de silício (Si). O carboneto de silício (SiC) também alimenta carregadores rápidos, que atualmente aumentam a autonomia em 75 quilômetros em apenas 5 minutos.

A contínua queda no custo das soluções de carbeto de silício (SiC) levou a um aumento ainda maior na sua adoção. Tomando como exemplo os automóveis, estimamos que os componentes de carbeto de silício (SiC) utilizados em um veículo elétrico custem entre US$ 250 e US$ 500 (dependendo da sua potência). A economia total para as montadoras em custos de bateria, tamanho e peso da bateria e do inversor, e requisitos de refrigeração pode chegar a US$ 2,000 por veículo elétrico. Embora existam muitos outros fatores que impulsionam a transição do silício (Si) para o carbeto de silício (SiC), este ponto é fundamental.

Fora da indústria automotiva

A demanda da indústria automotiva representa aproximadamente metade da oportunidade de US$ 9 bilhões da Cree no mercado de carbeto de silício (SiC), enquanto os setores de energia solar, aeroespacial e de defesa, e infraestrutura de comunicações são outros importantes impulsionadores da demanda. De acordo com estimativas recentes da Canaccord Genuity, a demanda por carbeto de silício (SiC) ultrapassará US$ 20 bilhões até 2030.

2. Cree MOSFET 650V

Os dispositivos de potência de carboneto de silício (SiC) também ajudam empresas industriais e de energia a maximizar a utilização de energia e espaço. O carboneto de silício (SiC) proporciona maior eficiência, maior densidade de potência e menor peso a fontes de alimentação industriais de alta frequência e a sistemas de alimentação ininterrupta (UPS), e os benefícios do carboneto de silício (SiC) superam em muito seu custo. Nessas áreas, maior eficiência significa maiores lucros.

No campo da eletrônica de potência, o carboneto de silício (SiC) é muito mais eficiente que o silício (Si) e possui densidade de potência três vezes maior, tornando os sistemas de alta tensão mais leves, menores, mais eficientes e mais econômicos. Esse desempenho superior atingiu um ponto crítico e os fabricantes não podem mais ignorá-lo se quiserem se manter competitivos no mercado atual.

O futuro dos semicondutores

O custo era anteriormente uma grande barreira para a adoção do carboneto de silício (SiC). Mas, à medida que a produção e a experiência continuam a aumentar, seus custos continuam a diminuir. Como resultado, sua fabricação também se tornou mais eficiente e refinada. Além disso, os clientes estão percebendo que o verdadeiro valor do carboneto de silício (SiC) reside no nível do sistema, e não em comparações no nível do dispositivo. Para atender às necessidades de diversos setores, a fabricação de carboneto de silício (SiC) continuará a melhorar, a produção continuará a crescer e seu preço continuará a diminuir. Tomando a Cree como referência, a empresa fez investimentos em larga escala para atender a essas necessidades, incluindo a construção de uma fábrica no estado de Nova York que utiliza tecnologia de ponta e atende aos padrões automotivos, o que aumentará a capacidade de produção em mais de 30 vezes em relação a 2017.

A transição do silício (Si) para o carboneto de silício (SiC) não é mais uma questão de "se" e "quando" acontecerá; já estamos nela. É empolgante estar totalmente envolvido nas grandes mudanças em diversos setores. O futuro dessas indústrias certamente não é estático e continuaremos a presenciar mudanças sem precedentes. E os fabricantes que conseguirem se adaptar rapidamente a essas mudanças colherão os frutos.

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