Novedades en carburo de silicio para la movilidad eléctrica

Mientras los ejecutivos de los semiconductores lamentan la lentitud de la demanda y el exceso de existencias, hay un sector que parece resistir: los circuitos de potencia de carburo de silicio utilizados en los vehículos eléctricos.

Pero las empresas que pretenden sacar provecho de este mercado podrían encontrarse con complicaciones en su transición a las obleas de 200 mm, lo que ha provocado la caída de las acciones de Wolfspeed y STM esta semana.

Semiconductores de potencia

Los semiconductores de potencia se utilizan para controlar, amplificar y conmutar el flujo de corriente eléctrica en los circuitos. Para llevar a cabo esta tarea, cuentan con valores nominales de corriente de tensión mucho más altos en comparación con los dispositivos semiconductores de nivel de señal y áreas de unión p-n más grandes que los semiconductores de señal.

Los diodos de potencia son una subcategoría de semiconductores de potencia diseñados para manejar altos niveles de potencia. Para hacerlo con eficacia, necesitan una amplia área de unión p-n para poder manejar más corriente. Sin embargo, una vez que los sólidos alcanzan su umbral máximo de densidad de corriente, su funcionalidad se ve comprometida y se calientan demasiado rápido para seguir siendo funcionales.

Dado que la eficiencia energética es cada vez más esencial, los semiconductores de potencia que minimizan las pérdidas son cada vez más demandados. El carburo de silicio y el nitruro de galio (GaN) han demostrado su capacidad para abrir nuevas oportunidades en la tecnología de semiconductores de potencia.

Los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) se han convertido en un elemento omnipresente de la electrónica actual, desde los ordenadores personales y los teléfonos inteligentes hasta los coches eléctricos, entre otros. Los MOSFET actúan como interruptores semiconductores que controlan el flujo de electricidad entre señales electrónicas. Sus aplicaciones van desde el control de sistemas de control de flujo para consolas de videojuegos, teléfonos y coches por igual.

Los dispositivos semiconductores de potencia de GaN y SiC superaron a los MOSFET de silicio tradicionales en cuanto a rendimiento en una gama de temperaturas más amplia, ofreciendo mayores velocidades de conmutación con menores pérdidas de conducción y de conmutación, mayores velocidades de conmutación con mayores velocidades de conmutación, mayor resistencia a la temperatura y menos efectos parásitos que sus homólogos basados en silicio.

Los semiconductores de potencia ofrecen muchas ventajas para numerosas aplicaciones, como el ahorro de energía y la reducción de costes. Los encontrará en vehículos eléctricos y sistemas de carga, accionamientos de motores industriales y accionamientos de motores industriales; su presencia ayuda a reducir las pérdidas en los motores de corriente alterna, además de mejorar la precisión de las fuentes de alimentación, los conjuntos de células solares y las redes eléctricas.

Los semiconductores de potencia son un componente indispensable de la mayoría de los sistemas de energías renovables, ya que proporcionan servicios de regulación de tensión, conversión de frecuencia y conversión de CC a CA, al tiempo que ayudan a controlar los flujos de electricidad en las centrales eléctricas.

Automoción

El carburo de silicio (SiC) es un robusto compuesto químico hexagonal formado por silicio y carbono que presenta fuertes enlaces covalentes que lo convierten en un material duradero con una dureza Mohs que se sitúa entre la de la alúmina (9) y el diamante (10). Debido a su baja expansión térmica y a sus propiedades de resistencia, el SiC se utiliza ampliamente en aplicaciones cerámicas industriales, como abrasivo, además de presentar excelentes propiedades mecánicas, como resistencia al desgaste y alta tenacidad al impacto, dos cualidades que han propiciado su uso comercial generalizado frente a sus predecesores.

Las características duras, abrasivas y refractarias del carburo de silicio son conocidas desde hace tiempo, pero sus propiedades semiconductoras son las que están impulsando su uso como uno de los materiales de moda en la electrónica de potencia. La amplia banda prohibida del SiC permite que los dispositivos fabricados con este material tengan una mayor tensión de ruptura y una menor resistencia al encendido que los semiconductores basados en silicio.

La baja resistencia interna del SiC lo convierte en un componente inestimable en aplicaciones de semiconductores de potencia, ya que ayuda a reducir las pérdidas por conmutación al permitir que los electrones fluyan más libremente a través de sus dispositivos y crear así tiristores, IGBT, MOSFET, etc. eficientes.

El SiC también es un material ideal para utilizar en los inversores de los vehículos eléctricos (VE), ya que puede mejorar la eficiencia y aumentar la autonomía reduciendo el tamaño del sistema de gestión de la energía y mejorando al mismo tiempo la densidad de potencia. Según las estimaciones de Goldman Sachs, el uso de SiC en inversores podría ahorrar a los fabricantes un total estimado de hasta $2.000 en costes de fabricación y consumo de energía por vehículo.

La producción de carburo de silicio es un proceso complejo que comprende varias etapas, desde las materias primas hasta la producción del producto acabado. Partiendo de fuentes rocosas naturales, las formas pulverizadas de SiC se extraen utilizando una trituradora de bauxita o un alto horno y se producen en forma de polvo para utilizarlo como materia prima en procesos posteriores. A continuación, el lingote producido es clasificado manualmente de forma cuidadosa y meticulosa por trabajadores experimentados para cumplir los requisitos del cliente en cuanto a pureza y calidad, con productos finales disponibles en tonos verdes o negros que oscilan entre los niveles de pureza 87-94%. La moderna planta de carburo de silicio de Elkem en Lieja, Bélgica, opera bajo el nombre de EPS (Elkem Processing Services). Esta planta suministra materias primas y productos acabados de gran pureza a múltiples industrias, como la siderúrgica, la cerámica, la de metales no férreos, la energética, la química y la de automoción.

Accionamientos de motores industriales

El carburo de silicio (SiC) es un material extremadamente duro, de color gris verdoso y fórmula química SiC, que se cuenta entre las sustancias más duras conocidas por el ser humano y que requiere cuchillas con punta de diamante para cortarlo. El carburo de silicio también actúa como material semiconductor, lo que significa que cuando se trata con impurezas o agentes dopantes puede mostrar propiedades semiconductoras que permiten el paso de la corriente sin bloquearla por completo, lo que lo convierte en un candidato excelente para los dispositivos semiconductores de potencia.

En comparación con los semiconductores de silicio tradicionales, los semiconductores orgánicos presentan varias ventajas sobre sus predecesores. Pueden tolerar temperaturas más elevadas al tiempo que disminuyen las necesidades de refrigeración activa y aumentan las frecuencias de conmutación, características todas ellas que permiten a los fabricantes diseñar motores eléctricos más ligeros y con mayor eficiencia.

Los fabricantes de electrónica de potencia están aprovechando esta tecnología para satisfacer la creciente demanda de vehículos eléctricos. GE, en colaboración con Wolfspeed, ha desarrollado el kit SpeedVal, que permite a los usuarios probar el rendimiento de los dispositivos SiC. Otras empresas, como McLaren Applied, trabajan en la fabricación de inversores capaces de soportar los requisitos de tensión más elevados de los vehículos eléctricos.

Onsemi ha realizado importantes inversiones en su moderna planta de obleas de 200 mm de Bucheon (Corea del Sur), ampliándola hasta alcanzar una capacidad de producción de más de un millón de obleas de 200 mm al año.

Se trata de la primera gran fábrica especializada en la producción de carburo de silicio, dentro de la tendencia actual de los fabricantes de semiconductores a abandonar la producción convencional de silicio debido a las restricciones de costes y capacidad.

El notable abaratamiento del carburo de silicio ha atraído a fabricantes de todo tipo, que se han lanzado a la producción. Según el informe de Yole Research, los precios de los sustratos de 8 pulgadas deberían seguir bajando a medida que aumente la producción, especialmente en el caso de los sustratos de 8 pulgadas, donde siete fabricantes han alcanzado la producción en masa o lo harán en uno o dos años, incluidas dos plantas epitaxiales con capacidades combinadas de 21.000 mm2. Yole también señala que la demanda de dispositivos de potencia de carburo de silicio aumentará con el tiempo.

E-Movilidad

E-Mobility es un término genérico que abarca toda una gama de soluciones de transporte, desde coches y autobuses hasta camiones y vehículos todoterreno, junto con su infraestructura de apoyo, así como servicios y soluciones de recarga.

La movilidad eléctrica ofrece múltiples ventajas medioambientales y económicas. Al electrificar el transporte, disminuyen las emisiones globales de CO2 y se reduce el consumo de petróleo, dos medidas para frenar el cambio climático. Además, fomenta el desarrollo económico, ya que la mayoría de las industrias dependen de un medio eficiente para trasladar mercancías, clientes y empleados.

Los vehículos eléctricos ofrecen otra ventaja al contribuir a reducir la contaminación atmosférica. Como vehículos de emisiones cero, los vehículos eléctricos emiten muchos menos gases de efecto invernadero y contaminantes que los motores de combustión tradicionales en los entornos urbanos, donde los niveles de contaminación suelen ser más elevados.

Debido a estas ventajas, la demanda de e-movilidad se ha disparado, y sólo se espera que aumente aún más con el tiempo. Pero, por desgracia, los representantes del sector se enfrentan a varios obstáculos que deben superar para lograr una transición efectiva hacia esta forma de transporte.

Uno de los principales retos asociados a los vehículos eléctricos (VE) es ampliar la capacidad de almacenamiento de las baterías. En la actualidad, las baterías de los coches eléctricos están limitadas por el tamaño del vehículo, la cantidad de energía almacenada y el coste. Por tanto, hay que innovar para lograr un equilibrio óptimo entre densidad energética, coste y rendimiento.

La e-movilidad tiene ante sí el reto de ser neutra en emisiones de carbono. Para ello, es necesario que la electricidad utilizada para propulsar los vehículos proceda de fuentes renovables, en lugar de carbón o combustibles fósiles, y que esté fabricada con materiales reciclados para crear coches realmente ecológicos.

Los fabricantes que deseen tener éxito tendrán que emplear una estrategia integrada y global a la hora de desarrollar productos, que aborde estas cuestiones simultáneamente a la creación del producto. Tendrán que reimaginar sus estrategias, modelos operativos y cadenas de suministro; colaborar entre sí y colaborar en la creación de nuevas tecnologías y servicios que hagan avanzar la e-movilidad; así como colaborar entre sí en el desarrollo de dichas tecnologías y servicios que puedan hacer avanzar la e-movilidad.

A pesar de estos obstáculos, el futuro de la movilidad eléctrica sigue siendo brillante y prometedor. El aumento del uso de vehículos eléctricos creará un medio ambiente más sano, ciudades más habitables y una economía más sostenible.