Chất bán dẫn điện mở ra kỷ nguyên của SiC (Phần một)

Giới thiệu:

Được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng trên thị trường thiết bị đầu cuối ô tô và sự ngang bằng về giá với silicon, việc sản xuất cacbua silic (SiC) đang phát triển nhanh chóng.

Hàng ngàn mô-đun bán dẫn công suất đã được sử dụng trong xe điện để sạc trên xe, biến tần kéo và chuyển đổi DC-DC. Hầu hết chúng hiện được sản xuất bằng IGBT nền silicon. Tuy nhiên, việc chuyển sang MOSFET nền SiC đã tăng gấp đôi mật độ công suất và tăng tốc độ chuyển mạch trong các gói nhỏ hơn, nhẹ hơn.

Yêu cầu về điện áp cao và hoạt động trong môi trường nóng và khắc nghiệt đang ngày càng trở nên khắt khe đối với xe điện và trạm sạc. Tuy nhiên, do chi phí sản xuất và đóng gói vật liệu có khoảng cách dải rộng cao hơn, sẽ cần một thời gian để silicon carbide (SiC) có được chỗ đứng vững chắc. Tuy nhiên, tình hình này đang thay đổi. Ông Victor Veliadis, Giám đốc Điều hành kiêm Giám đốc Công nghệ của PowerAmerica, cho biết giá của các mô-đun nguồn SiC hiện đã tương đương với các mô-đun silicon, điều này thúc đẩy quan hệ đối tác cung ứng và việc xây dựng các nhà máy SiC mới.

Vẫn còn nhiều việc phải làm. Công nghệ wafer SiC cần được nâng cấp. Việc sản xuất các thiết bị này yêu cầu 20% công cụ xử lý mới và 80% công cụ cải tiến. Mục tiêu của chúng tôi là đẩy nhanh tốc độ quay vòng của các thiết bị điện tích hợp và rời rạc, đó là lý do tại sao các nhà sản xuất ô tô đang chuyển sang hợp tác trực tiếp từ tấm wafer đến mô-đun với các xưởng đúc.

Thị trường và công nghệ nguồn SiC, GaN

Đến năm 2030, thế giới sẽ sản xuất 39 triệu xe điện thuần túy, tương đương với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 22% từ năm 2022 đến năm 2030. Điều này sẽ thúc đẩy thị trường bán dẫn điện, với khoảng 50% thiết bị silicon, 35% trong số đó. thiết bị cacbua silic và 12% thiết bị gali nitrit dự kiến sẽ được sử dụng trên thị trường cho đến năm 2030. Trong xe điện, bộ biến tần lực kéo chuyển đổi nguồn DC từ bộ pin thành nguồn điện xoay chiều để cung cấp năng lượng cho động cơ phía trước và phía sau. SiC cũng có thể tăng tốc độ sạc của các hệ thống trên và ngoài xe, đồng thời đưa nguồn điện từ lưới điện vào xe điện.

Quan trọng nhất, các mô-đun SiC tạo thành nền tảng cho quá trình chuyển đổi từ pin 400V sang pin 800V. Khi tốc độ sạc nhanh hơn, phạm vi lái xe đủ và chi phí cho bộ pin cho mỗi chiếc xe dưới 10,000 USD, người tiêu dùng sẽ sử dụng xe điện nhanh hơn.

Các mô-đun SiC đang đạt đến điểm quan trọng khi chúng có thể cạnh tranh về mặt chi phí với các giải pháp năng lượng dựa trên silicon trong khi vẫn đạt được hiệu suất cao hơn và hệ thống nhỏ gọn hơn. Cùng với việc mở rộng phạm vi pin 800V từ pin 400V hiện đang được sử dụng (chứa các thiết bị 600V hoặc 650V), việc sản xuất hàng loạt thiết bị SiC 1,200V đang được khuyến khích. Tuy nhiên, những thay đổi trong chuỗi cung ứng như tác động của lỗi tinh thể wafer đến năng suất, tổn thất trong việc đóng gói thiết bị và tích hợp mô-đun cũng như mối liên kết chặt chẽ hơn giữa nhà sản xuất ô tô và nhà sản xuất hệ thống điện vẫn đang tiếp diễn. Từ góc độ thực tế, sẽ mất một thời gian để công suất sản xuất wafer và wafer SiC mới đạt được sản xuất hàng loạt.

Tuy nhiên, điều này không làm giảm sự nhiệt tình của mọi người đối với công nghệ. Các nhà phân tích tiếp tục nâng cao dự báo thị trường SiC của họ. Tập đoàn Yole dự đoán thị trường bán dẫn điện sẽ đạt 6.3 tỷ USD vào năm 2027, trong đó 70% dành cho ứng dụng ô tô. Chỉ nhìn vào sản xuất tấm wafer SiC (bắt đầu từ tấm wafer SiC), TECHCET dự đoán tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 14% từ năm 2022 đến năm 2027.