Silisiumkarbid-nyheter for e-mobilitet

Mens halvlederledere beklager seg over lav etterspørsel og overflødige varelagre, ser det ut til at én sektor er motstandsdyktig: kraftkretser av silisiumkarbid som brukes i elektriske kjøretøy.

Men selskaper som ønsker å kapitalisere på dette markedet, kan støte på komplikasjoner når de går over til 200 mm wafere, noe som fikk aksjene til Wolfspeed og STM til å falle denne uken.

Power Semiconductor

Effekthalvledere brukes til å kontrollere, forsterke og bytte strømmen i kretser. For å utføre denne oppgaven har de mye høyere spenningsstrømverdier sammenlignet med halvlederkomponenter på signalnivå og større p-n-overgangsområder enn signalhalvledere.

Effektdioder er en underkategori av effekthalvledere som er utformet for å håndtere høye effektnivåer. For å gjøre dette effektivt trenger de et stort p-n-overgangsområde for å kunne håndtere mer strøm. Når de faste stoffene når terskelen for maksimal strømtetthet, blir imidlertid funksjonaliteten svekket, og de varmes opp for raskt til at de kan fortsette å fungere.

Etter hvert som energieffektivitet blir stadig viktigere, har det blitt stadig større etterspørsel etter krafthalvledere som minimerer tapene. Silisiumkarbid og galliumnitrid (GaN) har begge bevist at de kan åpne nye muligheter innen krafthalvlederteknologi.

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) har blitt en allestedsnærværende del av dagens elektronikk, fra PC-er og smarttelefoner til elbiler og mye mer. MOSFET-transistorer fungerer som halvlederbrytere som styrer strømmen mellom elektroniske signaler. De brukes til alt fra å kontrollere strømstyringssystemer for videospillkonsoller og telefoner til biler.

GaN- og SiC-strømhalvlederkomponenter overgikk tradisjonelle silisium-MOSFET-er når det gjaldt ytelse over et bredere temperaturområde, med høyere koblingshastigheter med lavere ledningstap og koblingstap, høyere koblingshastigheter med større koblingshastigheter, høyere temperaturbestandighet og mindre parasitteffekter enn deres silisiumbaserte motstykker.

Halvledere gir mange fordeler for en rekke bruksområder, blant annet energibesparelser og lavere kostnader. Du finner dem i elektriske kjøretøy og ladesystemer, industrielle motordrifter og industrielle motordrifter; deres tilstedeværelse bidrar til å redusere tap på vekselstrømsmotorer samt forbedre nøyaktigheten for strømforsyninger, solcelleanlegg og elektriske nett.

Halvledere er en uunnværlig komponent i de fleste fornybare energisystemer, der de sørger for spenningsregulering, frekvensomforming og omforming fra likestrøm til vekselstrøm, samtidig som de bidrar til å kontrollere strømflyten i kraftverk.

Bilindustrien

Silisiumkarbid (SiC) er en robust sekskantet kjemisk forbindelse som består av silisium og karbon med sterke kovalente bindinger, noe som gir et slitesterkt materiale med en Mohs-hardhetsgrad som ligger et sted mellom aluminiumoksid (9) og diamant (10). På grunn av sin lave varmeutvidelse og styrkeegenskaper er SiC mye brukt i industriell keramikk, som slipemiddel og med utmerkede mekaniske egenskaper, inkludert slitestyrke og høy slagfasthet - to egenskaper som har ført til utstrakt kommersiell bruk i forhold til sine forgjengere.

Silisiumkarbid har lenge vært kjent for sine harde, slitende og ildfaste egenskaper, men det er halvlederegenskapene som gjør det til et av dagens mest trendy materialer innen kraftelektronikk. SiCs brede båndgap gjør at enheter laget med dette materialet har høyere gjennomslagsspenning og lavere innkoblingsmotstand sammenlignet med silisiumbaserte halvledere.

SiCs lave indre motstand gjør den til en uvurderlig komponent i krafthalvlederapplikasjoner, der den bidrar til å redusere koblingstap ved å la elektronene strømme friere gjennom enhetene og dermed skape effektive tyristorer, IGBT-er, MOSFET-er osv.

SiC er også et ideelt materiale å bruke i omformere til elbiler, ettersom det kan forbedre effektiviteten og øke rekkevidden ved å redusere størrelsen på strømstyringssystemet og samtidig forbedre effekttettheten. Ifølge Goldman Sachs' estimat kan bruk av SiC i vekselrettere spare produsentene for anslagsvis opptil $2 000 i produksjonskostnader og energiforbruk per kjøretøy.

Produksjon av silisiumkarbid er en komplisert prosess som involverer ulike trinn fra råmaterialer til ferdig produkt. Med utgangspunkt i naturlige bergarter utvinnes SiC i pulverform ved hjelp av enten en bauksittknuser eller en masovn, og det produseres i pulverform for bruk som råmateriale i videre prosesser. Barren som produseres, sorteres deretter nøye og omhyggelig manuelt av erfarne arbeidere for å oppfylle kundenes krav til renhet og kvalitet, og sluttproduktene er tilgjengelige i grønne eller svarte fargetoner med en renhetsgrad på mellom 87-94%. Elkems toppmoderne silisiumkarbidanlegg i Liege i Belgia drives under navnet EPS (Elkem Processing Services). Dette anlegget leverer råmaterialer og ferdige produkter med høy renhet til en rekke industrier, blant annet jern- og stålproduksjon, keramikkproduksjon, produksjon av ikke-jernholdige metaller, energi, kjemikalier og bilindustrien.

Industrielle motorstyringer

Silisiumkarbid (SiC) er et ekstremt hardt, grågrønt materiale med den kjemiske formelen SiC, som er et av de hardeste stoffene vi kjenner til, og som krever diamantslipte kniver for å skjære i det. Silisiumkarbid fungerer også som et halvledermateriale, noe som betyr at når det behandles med urenheter eller dopingmidler, kan det få halvledende egenskaper som gjør at strømmen kan flyte gjennom uten å bli helt blokkert - en utmerket kandidat for halvlederkomponenter med strømtilførsel.

Sammenlignet med tradisjonelle silisiumhalvledere har organiske halvledere flere fordeler i forhold til sine forgjengere. De tåler høyere temperaturer, samtidig som de reduserer behovet for aktiv kjøling og øker koblingsfrekvensen - egenskaper som gjør det mulig for produsentene å konstruere lettere elektriske motorer med bedre effektivitet.

Produsenter av kraftelektronikk drar nytte av denne teknologien i arbeidet med å møte den stadig økende etterspørselen etter elektriske kjøretøy. GE har i samarbeid med Wolfspeed utviklet SpeedVal Kit, som gjør det mulig å teste ytelsen til SiC-enheter. Andre selskaper, som McLaren Applied, arbeider med å bygge omformere som tåler de høyere spenningskravene som stilles til elbiler.

Onsemi har investert tungt i sitt toppmoderne 200 mm waferanlegg i Bucheon i Sør-Korea, og har utvidet det mot full produksjonskapasitet på over én million 200 mm wafere hvert år.

Dette er den første store fabrikken som spesialiserer seg på produksjon av silisiumkarbid, noe som er en del av en pågående trend blant halvlederprodusenter som beveger seg bort fra konvensjonell silisiumproduksjon på grunn av kostnads- og kapasitetsbegrensninger.

Silisiumkarbidens betydelig lavere kostnader har tiltrukket seg produsenter av alle slag, noe som har ført til at de har begynt å produsere. Ifølge Yole Researchs rapport bør prisene på 8-tommers substrater fortsette å synke etter hvert som produksjonen øker - særlig gjelder dette for 8-tommers substrater, der syv produsenter har nådd masseproduksjon eller vil gjøre det i løpet av ett til to år, inkludert to epitaksiale fabrikker med en samlet kapasitet på 21 000 mm2. Yole peker også på at etterspørselen etter silisiumkarbid-strømenheter vil øke over tid.

E-mobilitet

E-Mobility er et paraplybegrep som dekker en rekke transportløsninger, fra personbiler og busser til lastebiler og terrengkjøretøy, sammen med tilhørende infrastruktur samt ladetjenester og -løsninger.

Elektromobilitet gir flere miljømessige og økonomiske fordeler. Ved å elektrifisere transporten reduseres de globale CO2-utslippene og oljeforbruket - begge deler bidrar til å bremse klimaendringene. I tillegg fremmer det økonomisk utvikling, ettersom de fleste bransjer er avhengige av en effektiv måte å flytte varer, kunder og ansatte på.

Elbiler har en annen fordel ved at de bidrar til å redusere luftforurensningen. Som nullutslippskjøretøy slipper elbiler ut langt mindre klimagasser og forurensende stoffer enn tradisjonelle forbrenningsmotorer i bymiljøer, der forurensningsnivåene ofte er høyest.

På grunn av disse fordelene har etterspørselen etter e-mobilitet skutt i været, og den forventes bare å øke ytterligere over tid. Dessverre står representanter for bransjen overfor flere hindringer som må overvinnes for å få til en effektiv overgang til denne transportformen.

En av de største utfordringene knyttet til elbiler er å utvide batteriets lagringskapasitet. I dag er elbilbatteriene begrenset av størrelsen på kjøretøyet, mengden strøm som kan lagres, og kostnadene. Derfor må det innoveres for å oppnå optimal balanse mellom energitetthet, kostnad og ytelse.

En sentral utfordring for e-mobilitet er å sørge for at den er karbonnøytral. Dette krever at elektrisiteten som brukes til å drive kjøretøyene, kommer fra fornybare kilder i stedet for kull eller fossilt brensel, og at de er laget av resirkulerte materialer for å skape virkelig grønne biler.

Produsenter som ønsker å lykkes, må benytte en integrert og omfattende strategi når de utvikler produkter, som tar for seg disse spørsmålene samtidig som de skaper produktene. De må tenke nytt når det gjelder strategier, driftsmodeller og leverandørkjeder, samarbeide seg imellom og skape ny teknologi og nye tjenester som fremmer e-mobilitet, samt samarbeide med hverandre om å utvikle slik teknologi og slike tjenester som kan fremme e-mobilitet.

Til tross for disse hindringene ser fremtiden for e-mobilitet fortsatt lys og lovende ut. En økning i bruken av elbiler vil skape et sunnere miljø, mer levelige byer og en mer bærekraftig økonomi.