Siliciumcarbid-nyheder til e-mobilitet

Mens halvlederledere beklager sig over langsom efterspørgsel og overskydende lagre, ser en sektor ud til at være modstandsdygtig: strømkredse af siliciumcarbid, der bruges i elbiler.

Men virksomheder, der ønsker at udnytte dette marked, kan løbe ind i komplikationer, når de går over til 200 mm wafere, hvilket fik aktierne i Wolfspeed og STM til at falde i denne uge.

Power Semiconductor

Effekthalvledere bruges til at styre, forstærke og skifte strømmen i kredsløb. For at udføre denne opgave har de meget højere spændingsstrømværdier sammenlignet med halvlederenheder på signalniveau og større p-n-overgangsarealer end signalhalvledere.

Effektdioder er en underkategori af effekthalvledere, der er designet til at håndtere høje effektniveauer. For at gøre det effektivt har de brug for et bredt p-n-overgangsområde for at kunne håndtere mere strøm. Når faste stoffer når deres maksimale strømtæthedstærskel, bliver deres funktionalitet imidlertid kompromitteret, og de opvarmes for hurtigt til at forblive funktionelle.

I takt med at energieffektivitet bliver stadig vigtigere, er der blevet større efterspørgsel efter effekthalvledere, der minimerer tab. Siliciumcarbid og galliumnitrid (GaN) har begge bevist deres evne til at åbne op for nye muligheder inden for effekthalvlederteknologi.

MOSFET'er (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) er blevet en allestedsnærværende del af elektronikken i dag, fra personlige computere og smartphones til elbiler og meget mere. MOSFET'er fungerer som halvlederkontakter, der styrer elektricitetsstrømmen mellem elektroniske signaler. Deres anvendelser spænder fra styring af flowkontrolsystemer til videospilkonsoller, telefoner og biler.

GaN- og SiC-effekthalvlederenheder overgik traditionelle silicium-MOSFET'er, når det gjaldt ydeevne over et bredere temperaturområde, med højere koblingshastigheder med lavere ledningstab og koblingstab, højere koblingshastigheder med større koblingshastigheder, højere temperaturbestandighed og mindre parasitære effekter end deres siliciumbaserede modstykker.

Effekthalvledere giver mange fordele til mange anvendelser, herunder energibesparelser og lavere omkostninger. Du finder dem i elektriske køretøjer og opladningssystemer, industrielle motordrev og industrielle motordrev; deres tilstedeværelse hjælper med at reducere tab på vekselstrømsmotorer samt forbedre nøjagtigheden for strømforsyninger, solcelleanlæg og elektriske net.

Effekthalvledere er en uundværlig komponent i de fleste vedvarende energisystemer, hvor de sørger for spændingsregulering, frekvensomdannelse og DC til AC-omdannelse, samtidig med at de hjælper med at styre elektricitetsstrømmen i kraftværker.

Biler

Siliciumcarbid (SiC) er en robust sekskantet kemisk forbindelse bestående af silicium og kulstof, som har stærke kovalente bindinger, der skaber et slidstærkt materiale med en Mohs-hårdhedsgrad, der ligger et sted mellem aluminiumoxid (9) og diamant (10). På grund af sin lave varmeudvidelse og styrkeegenskaber bruges SiC i vid udstrækning i industrielle keramikapplikationer som slibemiddel og har fremragende mekaniske egenskaber, herunder slidstyrke og høj slagsejhed - to kvaliteter, der har ført til udbredt kommerciel brug i forhold til dets forgængere.

Siliciumcarbids hårde, slibende og ildfaste egenskaber har længe været anerkendt, men dets halvlederegenskaber er det, der driver dets brug som et af nutidens mest trendy materialer inden for effektelektronik. SiC's brede båndgab gør det muligt for enheder, der er fremstillet af dette materiale, at have højere nedbrydningsspænding og lavere tændingsmodstand sammenlignet med siliciumbaserede halvledere.

SiC's lave indre modstand gør det til en uvurderlig komponent i effekthalvlederapplikationer, hvor det hjælper med at reducere koblingstab ved at lade elektroner flyde mere frit gennem enhederne og dermed skabe effektive tyristorer, IGBT'er, MOSFET'er osv.

SiC er også et ideelt materiale til brug i invertere til elbiler, da det kan forbedre effektiviteten og øge rækkevidden ved at mindske størrelsen på strømstyringssystemet og samtidig forbedre effekttætheden. Ifølge Goldman Sachs' estimat kan brugen af SiC i invertere spare producenterne for op til $2.000 i produktionsomkostninger og energiforbrug pr. køretøj.

Produktion af siliciumcarbid er en indviklet proces, der involverer forskellige stadier fra råmaterialer til produktion af færdige produkter. Med udgangspunkt i naturlige stenkilder udvindes pulveriserede former af SiC ved hjælp af enten en bauxitknuser eller en højovn og produceres i pulverform til brug som råmateriale til yderligere processer. De producerede barrer sorteres derefter omhyggeligt og minutiøst manuelt af erfarne medarbejdere for at opfylde kundernes krav til renhed og kvalitet, og de endelige produkter fås i grønne eller sorte nuancer, der varierer mellem 87-94% renhedsniveauer. Elkems topmoderne siliciumcarbidanlæg i Liege i Belgien fungerer under navnet EPS (Elkem Processing Services). Dette anlæg leverer råmaterialer med høj renhed og færdige produkter til flere industrier, herunder jern- og stålproduktion, keramikproduktion, produktion af ikke-jernholdige metaller, energi, kemikalier og bilindustrien.

Industrielle motordrev

Siliciumcarbid (SiC) er et ekstremt hårdt, grågrønt materiale med den kemiske formel SiC, som er et af de hårdeste stoffer, mennesker kender til, og som kræver diamantslebne klinger for at kunne skæres over. Siliciumcarbid fungerer også som et halvledermateriale; det betyder, at når det behandles med urenheder eller dopingmidler, kan det udvise halvledende egenskaber, som tillader strøm at flyde igennem, uden at den blokeres helt - en fremragende kandidat til krafthalvlederenheder.

Sammenlignet med traditionelle siliciumhalvledere har organiske halvledere flere fordele i forhold til deres forgængere. De kan tåle højere temperaturer, samtidig med at kravene til aktiv køling mindskes, og skiftefrekvenserne øges - alt sammen egenskaber, der gør det muligt for producenterne at designe lettere elmotorer med forbedret effektivitet.

Producenter af effektelektronik udnytter denne teknologi, mens de arbejder på at imødekomme den stadigt stigende efterspørgsel efter elektriske køretøjer. GE har i samarbejde med Wolfspeed udviklet SpeedVal Kit, som giver brugerne mulighed for at teste SiC-enheders ydeevne. Andre virksomheder som McLaren Applied arbejder på at bygge invertere, som kan modstå de højere spændingskrav til elbiler.

Onsemi har investeret kraftigt i sin topmoderne 200 mm wafer-facilitet i Bucheon, Sydkorea, og udvidet den til fuld produktionskapacitet på over en million 200 mm wafere hvert år.

Det er den første store fabrik, der specialiserer sig i produktion af siliciumcarbid, hvilket er en del af en løbende tendens blandt halvlederproducenter til at bevæge sig væk fra konventionel siliciumproduktion på grund af omkostnings- og kapacitetsbegrænsninger.

Siliciumkarbidens betydeligt lavere omkostninger har tiltrukket producenter af alle slags, hvilket har fået dem til at påbegynde produktionen. Ifølge Yole Researchs rapport bør priserne på 8-tommers substrater fortsætte med at falde, efterhånden som produktionen øges - det gælder især for 8-tommers substrater, hvor syv producenter har nået masseproduktion eller vil gøre det inden for et til to år, herunder to epitaksiale anlæg med en samlet kapacitet på 21.000 mm2. Yole bemærker også, at efterspørgslen efter power-enheder af siliciumcarbid vil vokse med tiden.

E-mobilitet

E-Mobility er et paraplybegreb, der dækker en række transportløsninger, fra biler og busser til lastbiler og terrængående køretøjer, sammen med deres understøttende infrastruktur samt opladningstjenester og -løsninger.

E-mobilitet giver flere miljømæssige og økonomiske fordele. Ved at elektrificere transporten mindskes den globale CO2-udledning, og olieforbruget reduceres - begge dele er skridt i retning af at bremse klimaforandringerne. Desuden fremmer det den økonomiske udvikling, da de fleste industrier er afhængige af et effektivt middel til at flytte varer, kunder og medarbejdere rundt.

Elbiler har en anden fordel ved at hjælpe med at reducere luftforureningen. Som nulemissionskøretøjer udleder elbiler langt færre drivhusgasser og forurenende stoffer end traditionelle forbrændingsmotorer i bymiljøer, hvor forureningsniveauet har tendens til at være højest.

På grund af disse fordele er efterspørgslen efter e-mobilitet skudt i vejret, og den forventes kun at stige yderligere med tiden. Men desværre står repræsentanter for industrien over for flere forhindringer, som skal overvindes for at få en effektiv overgang til denne form for transport.

En stor udfordring i forbindelse med elbiler er at udvide batteriets lagerkapacitet. På nuværende tidspunkt er elbilbatterier begrænset af køretøjets størrelse, mængden af lagret strøm og prisen. Derfor er der brug for innovation for at opnå en optimal balance mellem energitæthed, pris og ydeevne.

En central udfordring for e-mobilitet er at sikre, at den er CO2-neutral. Det kræver, at den elektricitet, der bruges til at drive køretøjerne, kommer fra vedvarende kilder i stedet for kul eller fossile brændstoffer, og at den er fremstillet af genbrugsmaterialer, så der virkelig skabes grønne biler.

Producenter, der ønsker at få succes, bliver nødt til at anvende en integreret og omfattende strategi, når de udvikler produkter, som tager fat på disse spørgsmål samtidig med produktudviklingen. De bliver nødt til at gentænke deres strategier, driftsmodeller og forsyningskæder; samarbejde indbyrdes og samarbejde om at skabe nye teknologier og tjenester, der fremmer e-mobilitet; samt samarbejde med hinanden om at udvikle sådanne teknologier og tjenester, der kan drive e-mobilitet fremad.

På trods af disse forhindringer er fremtiden for e-mobilitet fortsat lys og lovende. En stigning i brugen af elbiler vil skabe et sundere miljø, mere beboelige byer og en mere bæredygtig økonomi.