Καρβίδιο πυριτίου και ηλεκτρονικά ισχύος

Το καρβίδιο του πυριτίου, μια εξαιρετικά σκληρή συνθετική ένωση πυριτίου και άνθρακα, χρησιμοποιείται εδώ και πολύ καιρό ως βιομηχανικό λειαντικό, όπως σε γυαλόχαρτο ή τροχούς λείανσης, καθώς και ως ανθεκτικά στη φθορά εξαρτήματα σε ρουλεμάν αντλιών ή βιομηχανικούς κλιβάνους. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή εξαιρετικών πυρίμαχων επενδύσεων.

Το καρβίδιο του πυριτίου ξεπερνά το αντίστοιχο υλικό από πυρίτιο όσον αφορά την αντοχή στη θερμότητα και τη διάρκεια ζωής, προσφέροντας μεγαλύτερη θερμική αγωγιμότητα και καλύτερες ιδιότητες θερμικής αγωγής.

Ηλεκτρονικά ισχύος

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει καταστεί ένα όλο και πιο δημοφιλές υλικό για εφαρμογές ηλεκτρονικών ισχύος. Μπορεί να αντέξει υψηλότερα επίπεδα τάσης και θερμοκρασίες σε σύγκριση με τις παραδοσιακές συσκευές πυριτίου, γεγονός που βελτιώνει την απόδοση και την αξιοπιστία, μειώνοντας ταυτόχρονα την κατανάλωση ενέργειας. Επιπλέον, οι ιδιότητές του το καθιστούν κατάλληλο για πολλές διαφορετικές εφαρμογές.

Οι κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων (EV) χρειάζονται εξαρτήματα ικανά να αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες και τάσεις, όπως εξωτερικοί φορτιστές μπαταριών, μετατροπείς DC-DC και υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα. Το καρβίδιο του πυριτίου προσφέρει πλεονεκτήματα σε σχέση με τους ημιαγωγούς πυριτίου όσον αφορά την υψηλότερη απόδοση, τη μικρότερη απώλεια ισχύος και τη μεγαλύτερη αξιοπιστία, ενώ αποτελεί μια μικρότερη και οικονομικά αποδοτική εναλλακτική λύση.

Τα τρανζίστορ SiC διαθέτουν επίσης ευρύτερα ενεργειακά χάσματα σε σύγκριση με τα αντίστοιχα από πυρίτιο, γεγονός που συμβάλλει στην ελαχιστοποίηση των θερμικών απωλειών και στην αύξηση της απόδοσης. Αυτό τους επιτρέπει να εκτελούν παρόμοιες λειτουργίες, καταναλώνοντας παράλληλα λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια που θα πήγαινε χαμένη – κάτι που θα εκτιμήσουν οι οδηγοί ηλεκτρικών οχημάτων, δεδομένου ότι αυτό μπορεί να αυξήσει την αυτονομία και να μειώσει το κόστος των μπαταριών, επιταχύνοντας τους χρόνους φόρτισης.

Αυτοκίνητο

Τα τσιπ καρβιδίου του πυριτίου προσφέρουν πολυάριθμα πλεονεκτήματα για τη βιομηχανία των ηλεκτρικών οχημάτων. Μπορούν να μειώσουν τις απώλειες τάσης και ρεύματος, βελτιώνοντας παράλληλα τη θερμική απόδοση – βοηθώντας έτσι τους κατασκευαστές αυτοκινήτων να μειώσουν το μέγεθος και το βάρος βασικών εξαρτημάτων ηλεκτρονικών ισχύος που επηρεάζουν την αυτονομία, επιτρέποντας στα ηλεκτρικά οχήματα να διανύουν μεγαλύτερες αποστάσεις με κάθε φόρτιση. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες έχουν αρχίσει να υιοθετούν αυτή την τεχνολογία, με την ROHM Semiconductors να συμμετέχει ενεργά, προσφέροντας λύσεις απομόνωσης σχεδιασμένες ειδικά για χρήση με κατασκευές καρβιδίου του πυριτίου σε συστήματα διαχείρισης μπαταριών και μετατροπείς ελέγχου έλξης που έχουν σχεδιαστεί με υλικά καρβιδίου του πυριτίου.

Οι αυτοκινητοβιομηχανίες αναγνωρίζουν ότι οι ημιαγωγοί ευρείας ενεργειακής διαφοράς θα διαδραματίσουν ουσιαστικό ρόλο στα μελλοντικά ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρία (BEV), γι’ αυτό και έχουν επενδύσει δισεκατομμύρια για να εξασφαλίσουν την προμήθεια τσιπ SiC για αυτοκίνητα που τροφοδοτούνται από μπαταρία. Ο γερμανικός προμηθευτής ZF Group και η Wolfspeed συνεργάζονται επί του παρόντος για τη δημιουργία μιας μονάδας παραγωγής ειδικά για τσιπ SiC· Η Bosch, ο κορυφαίος κατασκευαστής ανταλλακτικών παγκοσμίως, εξαγόρασε την TSI Semiconductors του Roseville, στην Καλιφόρνια, το 2023, με σχέδια να μετατρέψει τη μονάδα παραγωγής της από ολοκληρωμένα κυκλώματα ειδικής εφαρμογής σε δίσκους πυριτίου 200 mm στην παραγωγή MOSFET SiC έως το 2026.

Και άλλοι κατασκευαστές μικροτσίπ αυξάνουν τις επενδύσεις τους σε τεχνολογίες καρβιδίου του πυριτίου. Η Rohm Semiconductors είναι ένας από αυτούς τους κατασκευαστές που εντείνει τις επενδύσεις της. Η Rohm προσφέρει προϊόντα που υποστηρίζουν σχεδιασμούς ισχύος με βάση το καρβίδιο του πυριτίου, όπως MOSFET, απομονωμένα τρανζίστορ ισχύος, μονάδες, συστήματα διαχείρισης μπαταριών και μετατροπείς ελέγχου έλξης, για να αναφέρουμε μόνο μερικές εφαρμογές στις οποίες τα προϊόντα της προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα όσον αφορά το κόστος και την απόδοση. Εστιάζει ιδιαίτερα σε εφαρμογές υψηλής τάσης, όπου τα προϊόντα της προσφέρουν σημαντικά οφέλη σε σχέση με το κόστος και την απόδοση.

Σιδηροδρομικές μεταφορές

Τα τσιπ καρβιδίου του πυριτίου σε εφαρμογές σιδηροδρομικών μεταφορών μπορούν να αυξήσουν την απόδοση και την πυκνότητα ισχύος των συσκευών ισχύος, μειώνοντας το βάρος και τον όγκο, ενώ ταυτόχρονα συμβάλλουν στη μείωση του κόστους λειτουργίας και συντήρησης. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για εφαρμογές που περιλαμβάνουν μετατροπείς έλξης οι οποίοι πρέπει να αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες· έτσι, τα τσιπ καρβιδίου του πυριτίου αποτελούν την ιδανική λύση σε αυτή την περίπτωση, καθώς αυτά τα ευέλικτα τσιπ, κατασκευασμένα από μείγματα πυριτίου και άνθρακα, μπορούν να λειτουργούν σε θερμοκρασίες έως και 500 °C – ιδανικά για την ηλιακή ενέργεια ή τις σιδηροδρομικές μεταφορές!

Οι ημιαγωγοί από καρβίδιο του πυριτίου διαθέτουν ευρύτερο ενεργειακό χάσμα, το οποίο τους επιτρέπει να λειτουργούν σε υψηλότερες συχνότητες και τάσεις σε σύγκριση με τους αντίστοιχους από πυρίτιο, παρέχοντας έτσι περισσότερη ισχύ με μειωμένες απώλειες και παρουσιάζοντας χαμηλότερο ρυθμό μετατόπισης κορεσμού από τα τυπικά τσιπ πυριτίου.

Καθώς αυξάνεται η ζήτηση για ηλεκτρικά οχήματα, αυξάνονται και οι απαιτήσεις για εξαρτήματα υψηλής απόδοσης. Αυτό περιλαμβάνει την αύξηση της απόδοσης του κινητήρα, ώστε να επιτυγχάνονται οι δυνατότητες επιτάχυνσης – κάτι που συχνά αναφέρεται ως “Ludicrous Mode”. Για να επιτευχθεί αυτό, ενδέχεται να απαιτηθούν πιο ισχυροί πυκνωτές και ανθεκτική ηλεκτρική καλωδίωση, προκειμένου να καλυφθεί αυτή η ανάγκη.

Τα τρανζίστορ πεδίου (MOSFET) από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) με δομή μεταλλικού οξειδίου-ημιαγωγού (MOS) γίνονται πλέον ευρέως διαθέσιμα και είναι κατάλληλα για μετατροπείς έλξης, προσφέροντας μειωμένες απώλειες μεταγωγής και αγωγιμότητας, με αποτέλεσμα χαμηλότερες συνολικές απώλειες ισχύος του συστήματος – και, ως εκ τούτου, σημαντική μείωση του κόστους ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη λειτουργία.

Βιομηχανικές εφαρμογές

Το καρβίδιο του πυριτίου έχει αναδειχθεί ως ένα πολλά υποσχόμενο ημιαγωγικό υλικό σε εφαρμογές υψηλής ισχύος, ιδίως στην ηλεκτρονική ισχύος των ηλεκτρικών οχημάτων και στα όργανα των οχημάτων εξερεύνησης του διαστήματος (Mantooth, Zetterling & Rusu). Το καρβίδιο του πυριτίου προσφέρει μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα από τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς πυριτίου και λειτουργεί σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες, τάσεις και συχνότητες, γεγονός που το καθιστά μια ελκυστική εναλλακτική λύση έναντι του πυριτίου. Μπορεί να λειτουργεί υπό υψηλότερες θερμοκρασίες, τάσεις και συχνότητες από τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς πυριτίου (οι οποίοι έχουν μικρότερο ενεργειακό χάσμα). Οι επιδόσεις του καρβιδίου του πυριτίου το καθιστούν επίσης ελκυστική εναλλακτική λύση σε απαιτητικές εφαρμογές, όπως τα ηλεκτρονικά ισχύος για ηλεκτρικά οχήματα ή τα όργανα που χρησιμοποιούνται στη διαστημική εξερεύνηση (Mantooth, Zetterling & Rusu).

Το καρβίδιο του πυριτίου βρήκε για πρώτη φορά βιομηχανική εφαρμογή ως διόδους εκπομπής φωτός και ανιχνευτές στα πρώτα ραδιόφωνα, τα οποία απαιτούσαν υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας και υψηλά επίπεδα τάσης. Τα MOSFET από καρβίδιο του πυριτίου διατέθηκαν για πρώτη φορά στο εμπόριο κατά τη διάρκεια των δεκαετιών του 1970 και του 1980, διαθέτοντας μια αλληλοσυνδεόμενη δομή που αποτελείται από ημιαγωγούς τύπου p, οι οποίοι περικλείονται από μονωτικά στρώματα οξειδίου, με ηλεκτρόδια πύλης τοποθετημένα μεταξύ τους. Λόγω των χαρακτηριστικών χαμηλής αντίστασης, τα τσιπ καρβιδίου του πυριτίου επέτρεπαν τη ροή ρεύματος σε υψηλότερες θερμοκρασίες με μειωμένες απώλειες ισχύος.

Οι συσκευές ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου φέρνουν επανάσταση στον τρόπο τροφοδοσίας των ηλεκτρικών οχημάτων, καθώς αντέχουν σε υψηλότερη θερμική απόδοση, έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και είναι πιο ενεργειακά αποδοτικές σε σύγκριση με τους ημιαγωγούς που κατασκευάζονται από τρανζίστορ ισχύος πυριτίου. Ως εκ τούτου, πολλοί κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων επιλέγουν συσκευές από καρβίδιο του πυριτίου, προκειμένου να μειώσουν το κόστος και το βάρος των οχημάτων.

Οι βασικές πλάκες SiC και οι λύσεις ημιαγωγών της Wolfspeed παρέχουν στους σχεδιαστές συστημάτων ισχύος όλα όσα χρειάζονται για να αναβαθμίσουν οποιοδήποτε σύστημα τροφοδοσίας στην τεχνολογία καρβιδίου του πυριτίου, επιτυγχάνοντας εξοικονόμηση 40% μόνο στα έξοδα ενέργειας ψύξης, μέσω της εγκατάστασης τρανζίστορ ισχύος SiC της Wolfspeed σε διακομιστές.