พัฒนาการใช้ไฟฟ้าของ SiC โดยเดินขึ้นบันไดหนึ่งขั้น เซมิคอนดักเตอร์ของเราจะปรับปรุงประสิทธิภาพของยานยนต์และอุตสาหกรรมอื่นๆ ในอนาคตได้อย่างไร จอห์น ปาล์มอร์ ประธานเจ้าหน้าที่ฝ่ายเทคโนโลยีของ Wolfspeed แห่ง Cree Company

ระบบจ่ายไฟจำนวนมากกำลังเปลี่ยนจากเทคโนโลยีซิลิกอน (Si) ไปเป็นเทคโนโลยีซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ซึ่งจะเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ที่สุดที่อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์กำลังประสบ นับตั้งแต่เซมิคอนดักเตอร์ไบโพลาร์เปลี่ยนมาใช้ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์เกตฉนวน (IGBT) ในช่วงทศวรรษ 1980 ในเวลาเดียวกันกับการเปลี่ยนแปลงนี้ อุตสาหกรรมหลายแห่งที่ได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงนี้กำลังเผชิญกับช่วงเวลาแห่งการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ ตั้งแต่อุตสาหกรรมยานยนต์ไปจนถึงพลังงานแสงอาทิตย์ ข้อได้เปรียบของซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นที่ประจักษ์ชัด ท่ามกลางการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ ผู้ผลิตรายใหญ่ทุกรายกำลังพยายามผสานซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) เข้ากับเทคโนโลยีของตนเองให้มากขึ้น

อุตสาหกรรมยานยนต์เป็นตัวอย่างทั่วไปของการเปลี่ยนแปลงที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ในทศวรรษหน้า อุตสาหกรรมยานยนต์จะเปลี่ยนจากเครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นการใช้ไฟฟ้า การเปลี่ยนจากซิลิกอน (Si) เป็นซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) มีบทบาทสำคัญในการช่วยให้ยานยนต์ไฟฟ้าตอบสนองความต้องการของผู้บริโภค และในขณะเดียวกันก็สามารถปฏิบัติตามกฎระเบียบของรัฐบาลเกี่ยวกับผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้ โซลูชันซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ช่วยเหลือยานยนต์ไฟฟ้า "ด้วยการขึ้นบันไดหนึ่งชั้น" อัปเกรดแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น โครงสร้างพื้นฐานการชาร์จเร็ว อินเวอร์เตอร์ไดรฟ์และแหล่งจ่ายไฟ และส่งเสริมความก้าวหน้าของโทรคมนาคมและแอปพลิเคชันการบินและอวกาศ

รูปที่ 1 พนักงาน Cree ในห้องปฏิบัติการ

โอกาสของรถยนต์ไฟฟ้า

ด้วยความต้องการของผู้บริโภคที่เพิ่มขึ้นและการเข้มงวดของกฎระเบียบของรัฐบาล ผู้ผลิตยานยนต์ เช่น Tesla, Ford และ Volkswagen จึงประกาศว่าพวกเขาจะลงทุนมากกว่า 300 ล้านดอลลาร์ในรถยนต์ไฟฟ้าภายในทศวรรษหน้า นักวิเคราะห์คาดการณ์ว่าภายในปี 2030 จำนวนรถยนต์ไฟฟ้าล้วน (BEV) จะสูงถึง 15% ของจำนวนรถยนต์ทั้งหมด ดังนั้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ตลาดของส่วนประกอบซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดด

การใช้ไฟฟ้ามีความสำคัญมากจนผู้ผลิตไม่สามารถมองข้ามข้อดีของซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ได้อีกต่อไป เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีซิลิกอน (Si) ที่ใช้ในยานยนต์ไฟฟ้าแบบดั้งเดิมแล้ว ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) สามารถเพิ่มอายุแบตเตอรี่ ปรับปรุงประสิทธิภาพ และลดเวลาในการชาร์จ ดังนั้น ซัพพลายเออร์หลายรายจึงได้ประกาศความร่วมมือกับ Cree เพื่อพัฒนาแผนยานยนต์ไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น Delphi Technologies กำลังพัฒนาระบบอินเวอร์เตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น เล็กลง และเบากว่าโดยใช้เซมิคอนดักเตอร์ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ขณะที่ ZF Group กำลังพัฒนาระบบส่งกำลังขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าล้วน ABB Group กำลังพัฒนาและจัดหาระบบพลังงานต่างๆ ที่ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC)

การปรับปรุงประสิทธิภาพ

การสูญเสียการสลับของซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ต่ำกว่า IGBT ที่ใช้ซิลิคอน (Si) มาก นอกจากนี้ อุปกรณ์ซิลิคอนคาร์ไบด์ไม่มีแรงดันไฟฟ้าในตัว และการสูญเสียการนำไฟฟ้าต่ำอย่างเห็นได้ชัด ดังนั้น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) จึงมีความหนาแน่นพลังงานสูงกว่า น้ำหนักเบากว่า และความถี่ในการทำงานสูงกว่า ในการทดสอบรถยนต์เมื่อเร็วๆ นี้ เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอน (Si) เทคโนโลยีซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ของ Cree ช่วยลดการสูญเสียอินเวอร์เตอร์ได้ประมาณ 78% ในภาคยานยนต์ การปรับปรุงประสิทธิภาพเหล่านี้สามารถนำไปใช้กับโซลูชันระบบส่งกำลัง ตัวแปลงพลังงาน เครื่องชาร์จแบบไม่มีออนบอร์ดและออนบอร์ด เมื่อเทียบกับโซลูชันที่ใช้ซิลิคอน (Si) แบบดั้งเดิม ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของรถยนต์ไฟฟ้าได้ 5% ถึง 10% ผู้ผลิตสามารถใช้สิ่งนี้เพื่อเพิ่มระยะทางการเดินทาง หรือลดการใช้แบตเตอรี่ขนาดใหญ่และราคาแพง

นอกจากนี้ ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ยังช่วยลดความต้องการในการระบายความร้อน ประหยัดพื้นที่ และมีน้ำหนักเบากว่าแบบที่ใช้ซิลิกอน (Si) อีกด้วย ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ยังสามารถรองรับเครื่องชาร์จด่วนได้ และปัจจุบันอายุการใช้งานแบตเตอรี่สามารถเพิ่มขึ้นได้ 75 ไมล์หลังจากชาร์จเพียง 5 นาที

ต้นทุนของโซลูชันซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่ลดลงอย่างต่อเนื่องส่งผลให้มีอัตราการนำมาใช้เพิ่มขึ้นอีก โดยยกตัวอย่างรถยนต์ เราประเมินว่ามูลค่าของส่วนประกอบซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าอยู่ที่ประมาณ 250 ถึง 500 ดอลลาร์ (ขึ้นอยู่กับความต้องการด้านพลังงาน) ต้นทุนรวมที่ผู้ผลิตยานยนต์ประหยัดได้ในแง่ของต้นทุนแบตเตอรี่ ปริมาตรและน้ำหนักของแบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์ และความต้องการด้านระบบทำความเย็นของรถยนต์ไฟฟ้าแต่ละคันอาจสูงถึง 2,000 ดอลลาร์ แม้ว่าจะมีปัจจัยหลายประการที่ผลักดันการเปลี่ยนจากซิลิกอน (Si) เป็นซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) แต่ปัจจัยเหล่านี้ก็ถือเป็นปัจจัยสำคัญ

นอกอุตสาหกรรมยานยนต์

ความต้องการซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ของอุตสาหกรรมยานยนต์คิดเป็นประมาณครึ่งหนึ่งของโอกาส 9 พันล้านดอลลาร์สหรัฐของ Cree ในขณะที่สาขาพลังงานแสงอาทิตย์ อวกาศ และโครงสร้างพื้นฐานด้านการสื่อสารเป็นแรงผลักดันหลักของความต้องการอื่นๆ ตามการคาดการณ์ล่าสุดของบริษัท Canaccord Genuity ความต้องการซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) จะเกิน 2030 หมื่นล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 20

รูปที่ 2 Cree 650V MOSFET

อุปกรณ์จ่ายไฟซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ยังช่วยให้บริษัทอุตสาหกรรมและบริษัทพลังงานเพิ่มอัตราการใช้ไฟฟ้าและพื้นที่ให้สูงสุดได้ ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ช่วยให้แหล่งจ่ายไฟอุตสาหกรรมความถี่สูงและแหล่งจ่ายไฟสำรองมีประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น และน้ำหนักเบาลง ประโยชน์ที่ได้รับจากซิลิกอนคาร์ไบด์นั้นเกินกว่าต้นทุนของมันเองมาก

ในด้านเหล่านี้ ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นหมายถึงผลกำไรที่สูงขึ้น ในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ประสิทธิภาพของซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) สูงกว่าซิลิกอน (Si) มาก และความหนาแน่นของพลังงานนั้นสูงกว่าซิลิกอน (Si) ถึงสามเท่า ซึ่งทำให้ระบบแรงดันไฟฟ้าสูงมีน้ำหนักเบากว่า เล็กกว่า มีประสิทธิภาพมากกว่า และคุ้มต้นทุนมากกว่า ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมนี้ได้ไปถึงจุดระเบิดแล้ว และผู้ผลิตไม่สามารถเพิกเฉยต่อมันได้อีกต่อไป หากต้องการรักษาความสามารถในการแข่งขันในตลาดปัจจุบัน

อนาคตเซมิคอนดักเตอร์

ต้นทุนเป็นอุปสรรคหลักในการนำซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) มาใช้ อย่างไรก็ตาม ด้วยการปรับปรุงผลผลิตและประสบการณ์อย่างต่อเนื่อง ต้นทุนก็ลดลงเช่นกัน ดังนั้น การผลิตจึงมีประสิทธิภาพและละเอียดอ่อนมากขึ้น ที่สำคัญกว่านั้น ลูกค้าได้ตระหนักว่ามูลค่าที่แท้จริงของซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) อยู่ที่ระดับระบบ มากกว่าการเปรียบเทียบในระดับอุปกรณ์ เพื่อตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรมต่างๆ การผลิตซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) จะได้รับการส่งเสริมต่อไป และผลผลิตจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น ราคาจึงลดลงอย่างต่อเนื่อง โดยใช้ Cree เป็นข้อมูลอ้างอิง Cree ได้ลงทุนครั้งใหญ่เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ รวมถึงการก่อสร้างโรงงานในรัฐนิวยอร์กที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและตรงตามมาตรฐานของกฎระเบียบยานยนต์ ซึ่งจะเพิ่มกำลังการผลิตให้มากกว่า 30 เท่าของปี 2017

การเปลี่ยนแปลงจากซิลิกอน (Si) ไปเป็นซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ไม่ใช่คำถามอีกต่อไปว่าจะเกิดขึ้นหรือไม่และเมื่อใด เราอยู่ในสถานการณ์นั้นแล้ว เป็นเรื่องน่าตื่นเต้นที่ได้มีส่วนร่วมอย่างเต็มที่ในการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ในอุตสาหกรรมต่างๆ อนาคตของอุตสาหกรรมเหล่านี้จะไม่หยุดนิ่ง และเราจะยังคงเห็นการเปลี่ยนแปลงที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนอย่างแน่นอน และผู้ผลิตที่สามารถปรับตัวเข้ากับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้อย่างรวดเร็วจะได้รับผลลัพธ์อันคุ้มค่าอย่างแน่นอน