Figura 1: Semiconductorii sunt esențiali pentru o serie de tehnologii verzi emergente (Sursa imaginii: onsemi)
Nu există nici un argument în sprijinul ideii că, la nivel de societate, trebuie să facem tranziția către alternative durabile, în condițiile în care instabilitatea din ce în ce mai mare a condițiilor meteorologice și micșorarea calotelor polare oferă dovezi clare ale efectelor tot mai mari ale schimbărilor climatice. Dar există un adevăr nefericit, renunțarea la combustibilii fosili se dovedește a fi extrem de dificilă, iar trecerea la tehnologia verde creează o serie de provocări tehnice. Fie că este vorba de producția care ține pasul cu piețele în expansiune rapidă sau de noile soluții care se luptă să egaleze randamentul sistemelor existente, aceste probleme trebuie depășite dacă vrem să lăsăm petrolul de domeniul trecutului.
În cazul unor aplicații precum vehiculele electrice (EV) și panourile solare, inginerii se confruntă cu provocări suplimentare, componentele electronice sensibile trebuind să asigure o funcționare continuă și fiabilă în medii dificile. Pentru a promova adoptarea acestor soluții durabile, avem nevoie de inovație la nivelul componentelor pentru a contribui la creșterea eficienței generale a sistemului, oferind în același timp o mai mare robustețe. Una dintre tehnologiile care se impune rapid ca o tehnologie capabilă să ofere performanțele necesare este cea a semiconductorilor din carbură de siliciu (SiC).
Ce înseamnă semiconductori SiC?
Ca parte a celei de-a treia generații de tehnologie a semiconductorilor, soluțiile SiC dispun de o bandă interzisă largă (WBG) și oferă niveluri ridicate de performanță. Acest decalaj energetic mai mare între straturi (în comparație cu generațiile anterioare de semiconductori) mărește energia necesară pentru a trece semiconductorul de la starea de izolare la cea de conducție. Pentru comparație, prima și a doua generație de semiconductori necesitau valori cuprinse între 0,6 eV și 1,5eV pentru a comuta, în timp ce a treia generație are valori cuprinse între 2,3 eV și 3,3eV. În termeni de performanță, semiconductorii WBG prezintă o tensiune de rupere de zece ori mai mare și sunt mai puțin activați de energia termică. Acest lucru se traduce printr-o stabilitate mai mare, o fiabilitate sporită, o eficiență mai bună prin reducerea pierderilor de putere și un plafon de temperatură mult mai ridicat.
Pentru producătorii de vehicule electrice (EV) și de invertoare, care au nevoie de caracteristici excelente de mare putere, temperatură ridicată și frecvență ridicată, semiconductorii SiC reprezintă o perspectivă interesantă. Dar, în termeni reali, cum se traduce această performanță și cum se pregătește industria semiconductorilor pentru a ține pasul cu cererea potențială?
SiC pentru vehicule electrice
În cadrul unui vehicul electric și al rețelei de încărcare aferente, semiconductorii de înaltă performanță reprezintă elementul central al stațiilor de încărcare AC-DC, al încărcătoarelor rapide DC-DC, al sistemelor de invertor al motorului și al transformatoarelor de înaltă tensiune DC la joasă tensiune DC ale vehiculului. Aceste sisteme sunt cele pe care semiconductorii SiC vor încerca să le optimizeze, oferind o eficiență sporită, plafoane de performanță mai mari și o comutare mai rapidă, contribuind la timpi de încărcare mai rapizi, precum și la o mai bună utilizare a capacității bateriilor. Acest lucru poate permite o creștere a autonomiei vehiculelor electrice sau o reducere a dimensiunii bateriei, scăzând costurile de masă și de producție ale vehiculului, îmbunătățind în același timp performanța, ceea ce contribuie la adoptarea pe scară largă.
În ciuda faptului că funcționează la temperaturi mai scăzute decât vehiculele cu ardere internă, vehiculele electrice reprezintă încă un mediu incredibil de dur pentru electronica de putere, managementul termic fiind un aspect esențial pentru proiectanți. Pentru majoritatea dispozitivelor mai vechi din siliciu și pentru tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (IGBT), condițiile de funcționare din interiorul unui EV pot duce la defecțiuni în timpul duratei de viață preconizate a vehiculului. În cazul soluțiilor SiC, limita termică este considerabil mai mare, iar conductivitatea termică este în medie de 3 ori mai mare, permițând o transmitere mai ușoară a căldurii către mediul înconjurător. Acest lucru se traduce printr-o fiabilitate sporită, permițând o reducere a cerințelor de răcire, reducând și mai mult greutatea și eliminând considerentele legate de ambalare.
Tensiunea nominală de vârf îmbunătățită și capacitatea de supratensiune oferită de tehnologia SiC sprijină, de asemenea, producătorii care urmăresc reducerea timpilor de încărcare și a greutății vehiculelor. De regulă, cele mai multe infrastructuri pentru vehiculele electrice au fost în gama de 200V – 450V, dar producătorii de automobile caută să obțină câștiguri suplimentare de performanță prin trecerea la 800V. Primul vehicul care a implementat această schimbare a fost Porsche Taycan, de nivel premium, dar tot mai mulți producători îi urmează exemplul, Ioniq 5 de la Hyundai, anunțat recent, dispunând acum de încărcare la 800V, la un preț de vânzare cu amănuntul considerabil mai mic.
Dar care este motivul din spatele acestei schimbări? Ei bine, sistemele de 800V oferă mai multe avantaje, cum ar fi un timp de încărcare mai rapid, o reducere a dimensiunii cablurilor (datorită curentului mai mic) și o scădere a pierderilor prin conducție, toate acestea permițând reducerea costurilor de producție și îmbunătățirea performanțelor. În prezent, sistemele de încărcare rapidă se bazează pe cabluri scumpe răcite cu apă, care ar putea fi eliminate, în timp ce, în interiorul vehiculelor, cablurile de calibru mai mic ar economisi o greutate semnificativă, mărind autonomia vehiculului. Pentru unii, trecerea la 800V este primordială pentru a crea câștigul de performanță necesar pentru a convinge consumatorii să adopte vehiculele electrice, dar această evoluție este posibilă doar prin utilizarea semiconductorilor SiC. Semiconductorii actuali din a doua generație, pur și simplu, nu dispun de performanța și fiabilitatea necesare pentru a funcționa la astfel de tensiuni în mediul dur al vehiculelor electrice și al infrastructurii de încărcare a acestora.
SiC pentru generarea de energie sustenabilă
Dincolo de vehiculele electrice, există și alte sectoare în creștere care vor beneficia de performanța oferită de noua generație de semiconductori SiC. Energia regenerabilă cunoaște o expansiune rapidă și, prin urmare, invertoarele solare/parcul eolian și soluțiile descentralizate de stocare a energiei (ESS – Energy Storage Solutions), ambele dependente de tehnologia semiconductorilor, înregistrează o rată de creștere anuală compusă (CAGR – Compound Annual Growth Rate) preconizată de 13% și, respectiv, 17%. (sursă: Global Solar Central Inverters Market 2022-2026)
Într-o evoluție similară cu cea a pieței EV, care a dus la creșterea tensiunii vehiculelor, tehnologia SiC permite fermelor solare să își mărească tensiunea stringurilor. Instalațiile existente operează de obicei la 1000V până la 1100V, dar cele mai noi invertoare centrale, care utilizează semiconductori SiC, vor permite o tensiune de 1500V. Acest lucru asigură o reducere a dimensiunii cablurilor string (deoarece curentul este mai mic) și a numărului de invertoare, datorită faptului că fiecare dispozitiv permite un număr mai mare de panouri solare. Deoarece reprezintă unele dintre cele mai mari cheltuieli legate de hardware în fermele solare, reducerea numărului de invertoare și a dimensiunii cablurilor poate reduce semnificativ costul total al proiectului.
Beneficiile oferite de tehnologia SiC pentru aplicațiile de energie regenerabilă se extind dincolo de simpla susținere a unor tensiuni mai mari. De exemplu, MOSFET-urile EliteSiC M3S de 1200V de la onsemi prezintă o reducere cu până la 20% a pierderilor de putere în aplicații cu comutație dură, cum ar fi cele întâlnite în invertoarele solare, în raport cu concurența la vârf din industrie. Astfel de economii pot avea un impact considerabil atunci când se ia în considerare amploarea operațiunilor afectate – numai în Europa există 208,9 GW de parcuri solare. (sursă: Global Solar Central Inverters Market 2022-2026)
În ceea ce privește fiabilitatea, parcurile solare și energia eoliană offshore reprezintă medii incredibil de dificile pentru componentele electrice și tocmai în aceste medii tehnologia SiC va depăși încă o dată soluțiile existente. Permițând temperaturi, tensiuni și densități de putere mai mari, inginerii pot proiecta sisteme mai fiabile, mai mici și mai ușoare decât soluțiile existente pe bază de siliciu. Carcasele invertoarelor pot fi reduse, iar multe dintre componentele electronice și de management termic din jur pot fi eliminate. Operarea la frecvențe mai ridicate permisă de SiC asigură elemente magnetice mai mici, ceea ce reduce și mai mult costul, greutatea și dimensiunea sistemului.
Provocări privind producția de semiconductori
Este clar că, pentru vehiculele electrice și pentru generarea de energie sustenabilă, semiconductorii SiC reprezintă o îmbunătățire semnificativă în aproape toate aspectele. MOSFET-urile și diodele SiC bine implementate pot îmbunătăți eficiența unei întregi operațiuni, reducând în același timp considerentele de proiectare și, în multe cazuri, reducând costul total al proiectului. Dar, la fel ca în cazul oricărei tehnologii de pionierat, va exista o cerere extinsă. O întrebare pentru mulți ingineri electroniști este dacă producția de SiC este pregătită pentru o adoptare pe scară largă și dacă producția va rămâne fiabilă pe măsură ce cantitățile cresc.
Figura 2: Producția de SiC end-to-end de la onsemi (Sursa imaginii: onsemi)
În esență, una dintre principalele probleme legate de SiC este construcția sa. În timp ce carbura de siliciu se găsește din abundență în spațiu, din păcate este extrem de rară pe Pământ. Prin urmare, trebuie să fie sintetizată prin combinarea nisipului de siliciu și a carbonului într-un cuptor electric cu rezistență din grafit la temperaturi cuprinse între 1600°C și 2500°C. Acest proces dezvoltă un cristal (boule) de SiC, care trebuie prelucrat pentru a forma în cele din urmă un semiconductor SiC. Fiecare etapă de producție necesită un control extrem de riguros al calității pentru a permite ca produsul final să respecte standardele stricte de testare. Pentru a menține calitatea, onsemi a adoptat o abordare unică. Fiind singurul producător de SiC ‘end-to-end’ din industrie, compania controlează fiecare etapă a procesului, de la substrat până la modulul final (Figura 2).
În instalațiile lor, siliciul și carbonul sunt combinate în cuptoare înainte de a fi prelucrate prin CNC în discuri cilindrice și feliate în plachete subțiri. În funcție de tensiunea de rupere necesară, se dezvoltă o plachetă epitaxială specifică (figura 3), înainte ca aceasta să fie tăiată în cipuri individuale și încapsulată. Prin controlul procesului de la început până la sfârșit, onsemi a reușit să creeze un sistem de producție incredibil de eficient, pregătit pentru cererea tot mai mare de SiC.
Figura 3: O plachetă epitaxială SiC. (Sursa imaginii: onsemi)
În timp ce onsemi și-a folosit experiența dobândită din producția de tehnologii bazate pe siliciu, există multe provocări specifice materialelor SiC care trebuie să fie apreciate pentru a garanta un produs final robust și de înaltă calitate. De exemplu, o serie de aspecte ale standardelor industriale existente, create pentru tehnologia siliciului, au trebuit să fie depășite pentru a crea un produs final fiabil. Înțelegerea oricăror mecanisme potențiale de defecțiune este esențială pentru menținerea calității și, prin colaborarea extinsă cu universități și centre de cercetare, onsemi a reușit să identifice caracterizarea și fiabilitatea SiC într-o serie de condiții. Rezultatul cercetării a fost o metodologie cuprinzătoare care poate fi aplicată tuturor proceselor SiC ale onsemi.
SiC – tehnologia potrivită la momentul potrivit?
Pentru ca tehnologiile sustenabile să aibă impactul necesar în lumea reală pentru a ne ajuta să atingem obiectivele climatice globale, eficiența, fiabilitatea și rentabilitatea sunt esențiale. În trecut, găsirea unor soluții la nivel de componente care să poată asigura toate aceste trei aspecte a fost aproape imposibilă, dar pentru multe aplicații, tocmai acest lucru este oferit de tehnologia SiC. În timp ce deficitul de aprovizionare la nivel mondial a încetinit, oarecum, sosirea semiconductorilor SiC, este clar că vom asista, acum, la o adoptare rapidă a acestei tehnologii.
Există încă provocări cu care se va confrunta adoptarea SiC pe scară largă, cum ar fi menținerea ritmului cererii de către producătorii de semiconductori și asigurarea unei fiabilități constante. Dar, prin colaborare și cercetare, precum cea întreprinsă de onsemi, industria ar trebui să fie capabilă să garanteze că standardele sunt menținute la un nivel ridicat și că eficiența producției este optimizată. În ceea ce privește implementarea, este important să ne amintim că prima și a doua generație de semiconductori vor continua să fie folosite. Pentru implementări cum ar fi unele circuite integrate logice și cipuri RF, performanța ridicată a SiC nu este probabil justificată, dar pentru aplicații cum ar fi vehiculele electrice și energia solară, există sentimentul că tehnologia SiC se va dovedi revoluționară.
Autor: Didier Balocco, Business Marketing Engineer, onsemi
