Bir kat merdiven çıkarak SiC elektrifikasyonunu ilerletinYarı iletkenlerimiz gelecekte otomobillerin ve diğer endüstrilerin performansını nasıl iyileştirecek?Cree Company'nin Wolfspeed Baş Teknoloji Sorumlusu John Palmour

Birçok güç kaynağı sistemi silikon (Si) teknolojisinden silikon karbür (SiC) teknolojisine geçiyor. Bu, güç yarı iletken endüstrisinin 1980'lerde bipolar yarı iletkenin yalıtımlı kapılı bipolar transistöre (IGBT) geçişinden bu yana yaşadığı en büyük değişim olacak. Bu dönüşümle aynı zamanda, bundan etkilenen birçok endüstri de alışılmadık, kapsamlı bir dönüşüm dönemi yaşıyor. Otomotiv endüstrisinden güneş enerjisine kadar, silikon karbürün (SiC) avantajları fark edilir hale geldi. Büyük değişimler yaşanırken, tüm büyük üreticiler silikon karbürü (SiC) kendi teknolojilerine daha fazla entegre etmek için çabalıyor.

Otomobil endüstrisi, modern endüstrideki benzeri görülmemiş değişimlerin tipik bir örneğidir. Önümüzdeki on yılda, otomobil endüstrisi içten yanmalı motordan elektriklendirmeye geçecek. Silisyumdan (Si) silisyum karbüre (SiC) dönüşüm, elektrikli araçların tüketicilerin ihtiyaçlarını karşılamasına yardımcı olmakta önemli bir rol oynar ve aynı zamanda iklim değişikliğinin etkisiyle ilgili hükümet düzenlemelerini karşılayabilir. Silisyum karbür (SiC) çözümleri, elektrikli araçlara "bir kat yukarı çıkarak" yardımcı oluyor, hızlı şarj altyapısı, sürücü invertörü ve güç kaynağı gibi uygulamaları yükseltiyor ve telekomünikasyon ve havacılık uygulamalarının ilerlemesini teşvik ediyor.

Şekil 1. Laboratuvardaki Cree çalışanları

Elektrikli araç fırsatı

Artan tüketici talebi ve hükümet düzenlemelerinin güçlenmesiyle birlikte Tesla, Ford ve Volkswagen gibi otomobil üreticileri önümüzdeki on yılda elektrikli araçlara 300 milyar dolardan fazla yatırım yapacaklarını duyurdu. Analistler, 2030 yılına kadar saf elektrikli araç (BEV) sayısının toplam otomobil sayısının %15'ine ulaşacağını öngörüyor. Bu nedenle, önümüzdeki birkaç yıl içinde elektrikli araçlar için silikon karbür (SiC) bileşenleri pazarı katlanarak artacak.

Elektrifikasyon o kadar önemli ki üreticiler artık silisyum karbürün (SiC) avantajlarını görmezden gelemezler. Geleneksel elektrikli araçlarda kullanılan silisyum (Si) teknolojisiyle karşılaştırıldığında, silisyum karbür (SiC) pil ömrünü uzatabilir, performansını iyileştirebilir ve şarj süresini kısaltabilir. Bu nedenle, birçok tedarikçi elektrikli araç planları geliştirmek için Cree ile iş birliği yaptıklarını duyurdu. Örneğin, Delphi Technologies silisyum karbür (SiC) yarı iletken kullanarak daha verimli, daha küçük ve daha hafif bir invertör sistemi geliştirirken, ZF Group tamamen elektrikli bir tahrik aktarma organı geliştiriyor. ABB Group silisyum karbür (SiC) kullanarak çeşitli güç sistemleri geliştiriyor ve sağlıyor.

Verimlilik artışı

Silisyum karbür (SiC) teknolojisinin anahtarlama kaybı, silisyum (Si) tabanlı IGBT'den çok daha düşüktür. Ayrıca, silisyum karbür cihazın dahili voltajı yoktur ve iletim kaybı da açıkça düşüktür. Bu nedenle, silisyum karbür (SiC) daha yüksek güç yoğunluğuna, daha hafif ağırlığa ve daha yüksek çalışma frekansına sahiptir. Yakın zamanda yapılan bir otomobil testinde, Cree'nin silisyum karbür (SiC) teknolojisi, silisyum (Si) ile karşılaştırıldığında, invertör kaybını yaklaşık %78 oranında azaltmıştır. Otomotiv sektöründe, bu verimlilik iyileştirmeleri güç aktarma organları çözümlerine, güç dönüştürücülerine ve araç içi ve dışı şarj cihazlarına uygulanabilir. Geleneksel silisyum (Si) tabanlı çözümlerle karşılaştırıldığında, silisyum karbür (SiC), elektrikli araçların genel verimliliğini %5 ila %10 oranında artırabilir. Üreticiler bunu seyir menzilini artırmak veya hantal ve pahalı pillerin kullanımını azaltmak için kullanabilirler.

Ek olarak, silisyum karbür (SiC) soğutma gereksinimlerini azaltabilir, yerden tasarruf sağlayabilir ve ağırlığı silisyum (Si) tabanlı şemaya göre daha hafiftir. Silisyum karbür (SiC) ayrıca hızlı şarj cihazları için destek sağlayabilir ve pil ömrü şu anda 75 dakika şarj edildikten sonra 5 mil artırılabilir.

Silisyum karbür (SiC) çözümlerinin maliyetindeki sürekli düşüş, benimsenme oranında daha da artışa yol açtı. Otomobilleri örnek olarak ele alırsak, bir elektrikli araçta kullanılan silisyum karbür (SiC) bileşenlerinin değerinin yaklaşık 250 ila 500 dolar (güç gereksinimlerine bağlı olarak) olduğunu tahmin ediyoruz. Otomobil üreticilerinin akü maliyeti, akülerin ve invertörlerin hacmi ve ağırlığı ve her bir elektrikli aracın soğutma gereksinimleri açısından tasarruf ettiği toplam maliyet 2,000 dolara kadar çıkabiliyor. Silisyumdan (Si) silisyum karbüre (SiC) dönüşümü yönlendiren birçok faktör olmasına rağmen, anahtar budur.

Otomobil endüstrisi dışında

Otomobil endüstrisinin talebi, Cree'nin 9 milyar dolarlık silisyum karbür (SiC) fırsatının yaklaşık yarısını oluştururken, güneş enerjisi, havacılık ve iletişim altyapısı alanları diğer taleplerin ana itici güçleridir. Canaccord Genuity Company'nin son tahminine göre, 2030 yılına kadar silisyum karbür (SiC) talebi 20 milyar ABD dolarını aşacaktır.

Şekil 2. Cree 650V MOSFET

Silisyum karbür (SiC) güç cihazları ayrıca endüstriyel ve enerji işletmelerinin elektrik ve alan kullanım oranını en üst düzeye çıkarmasına yardımcı olabilir. Silisyum karbür (SiC), yüksek frekanslı endüstriyel güç kaynağına ve kesintisiz güç kaynağına daha yüksek verimlilik, daha yüksek güç yoğunluğu ve daha hafif ağırlık kazandırır. SiC'nin getirdiği faydalar kendi maliyetini çok aşar.

Bu alanlarda, daha yüksek verimlilik daha yüksek karlar anlamına gelir. Güç elektroniği alanında, silisyum karbürün (SiC) verimliliği silisyumdan (Si) çok daha yüksektir ve güç yoğunluğu silisyumun (Si) üç katıdır, bu da yüksek voltajlı sistemi daha hafif, daha küçük, daha verimli ve daha uygun maliyetli hale getirir. Bu mükemmel performans patlama noktasına ulaşmıştır ve üreticiler mevcut pazarda rekabetçi kalmak istiyorlarsa artık buna göz yumamazlar.

Yarı iletken geleceği

Maliyet, silisyum karbürün (SiC) benimsenmesinin önündeki en büyük engeldir. Ancak, üretim ve deneyimin sürekli iyileştirilmesiyle maliyeti de düşmektedir. Bu nedenle, üretimi daha verimli ve rafine hale gelmektedir. Daha da önemlisi, müşteriler silisyum karbürün (SiC) gerçek değerinin cihaz düzeyindeki karşılaştırmadan ziyade sistem düzeyinde yattığını fark etmişlerdir. Çeşitli endüstrilerin ihtiyaçlarını karşılamak için, silisyum karbürün (SiC) üretimi daha da teşvik edilecek ve üretim artmaya devam edecek, dolayısıyla fiyatı düşmeye devam edecektir. Cree'yi referans alarak, Cree bu talepleri karşılamak için büyük ölçekli bir yatırım yapmıştır; buna, New York Eyaletinde en son teknolojiyi benimseyen ve araç yönetmeliklerinin standartlarını karşılayan bir fabrika inşa etmek de dahildir; bu da üretim kapasitesini 30'nin 2017 katından fazla artıracaktır.

Silisyumdan (Si) silisyum karbüre (SiC) dönüşüm artık olup olmayacağı ve ne zaman olacağı sorusu değil. Zaten içindeyiz. Birçok endüstrinin büyük değişimlerine tam olarak katılmak heyecan verici. Bu endüstrilerin geleceği asla durağan olmayacak ve kesinlikle benzeri görülmemiş değişimler görmeye devam edeceğiz. Ve bu değişimlere hızla uyum sağlayabilen üreticiler kesinlikle verimli sonuçlar elde edeceklerdir.