Карбід кремнію та силова електроніка

Карбід кремнію — надзвичайно тверда синтетична сполука кремнію та вуглецю — вже давно використовується як промисловий абразив, наприклад, у наждачному папері чи шліфувальних кругах, а також як зносостійкі деталі в підшипниках насосів чи промислових печах. Крім того, він може слугувати чудовим вогнетривким покриттям.

Карбід кремнію перевершує кремній за теплостійкістю та довговічністю, а також має вищу теплопровідність і кращі теплопровідні властивості.

Силова електроніка

Карбід кремнію стає дедалі популярнішим матеріалом для застосування в силовій електроніці. Він витримує вищі рівні напруги та температури, ніж традиційні кремнієві пристрої, що підвищує продуктивність і надійність, одночасно знижуючи споживання енергії. Крім того, завдяки своїм властивостям він підходить для багатьох різних застосувань.

Виробники електромобілів (EV) потребують компонентів, здатних витримувати високі температури та напругу, таких як зовнішні зарядні пристрої для акумуляторів, перетворювачі постійного струму в постійний та гібридні електромобілі. Карбід кремнію має переваги перед кремнієвими напівпровідниками завдяки вищій ефективності, меншим втратам потужності та більшій надійності, водночас будучи компактнішою та економічно вигідною альтернативою.

Транзистори на основі карбіду кремнію (SiC) також мають ширшу заборонену зону, ніж їхні кремнієві аналоги, що допомагає мінімізувати теплові втрати та підвищити ККД. Це дозволяє їм виконувати аналогічні функції, витрачаючи при цьому менше електроенергії на марні цілі — що, безсумнівно, оцінять водії електромобілів, адже це дозволяє збільшити запас ходу та знизити витрати на акумулятори завдяки прискоренню процесу заряджання.

Автомобільна промисловість

Мікросхеми з карбіду кремнію мають чимало переваг для галузі електромобілів. Вони дозволяють зменшити втрати напруги та струму, одночасно підвищуючи теплову ефективність, — це допомагає автовиробникам зменшити розміри та вагу ключових компонентів силової електроніки, які впливають на дальність пробігу, завдяки чому електромобілі можуть проїжджати більшу відстань на одному заряді. Автомобільні компанії активно впроваджують цю технологію, а компанія ROHM Semiconductors долучилася до цього процесу, пропонуючи ізолюючі рішення, розроблені спеціально для використання з карбідокремнієвими конструкціями в системах управління акумуляторними батареями та інверторах управління тягою, виготовлених з карбідокремнієвих матеріалів.

Автовиробники усвідомлюють, що напівпровідники з широкою забороненою зоною відіграватимуть важливу роль у майбутніх електромобілях (BEV), тому вони інвестували мільярди, щоб забезпечити постачання SiC-чіпів для автомобілів на акумуляторному живленні. Німецький постачальник ZF Group та компанія Wolfspeed наразі співпрацюють над створенням виробничого об’єкта, призначеного саме для виробництва SiC-чіпів; компанія Bosch, провідний світовий виробник автозапчастин, у 2023 році придбала компанію TSI Semiconductors із Роузвілля, штат Каліфорнія, і планує до 2026 року переорієнтувати її виробничі потужності з випуску спеціалізованих інтегральних схем на 200-міліметрових кремнієвих пластин на виробництво SiC-MOSFET.

Інші виробники мікросхем також збільшують інвестиції в технології на основі карбіду кремнію. Компанія Rohm Semiconductors є одним із таких виробників, що активізує інвестиції. Rohm пропонує продукти, що підтримують силові схеми на основі карбіду кремнію, такі як MOSFET, ізольовані силові транзистори, модулі, системи управління акумуляторними батареями та інвертори системи контролю тяги — і це лише деякі з областей застосування, де її продукція забезпечує суттєві переваги з точки зору вартості та продуктивності; компанія зосереджується, зокрема, на високовольтних застосуваннях, де її продукція забезпечує значне співвідношення «вартість/продуктивність».

Залізничний транспорт

Використання пластин з карбіду кремнію в залізничному транспорті дозволяє підвищити ефективність та щільність потужності силових пристроїв, зменшивши їхню вагу та об’єм, а також сприяючи зниженню витрат на експлуатацію та технічне обслуговування. Вони особливо добре підходять для застосувань, пов’язаних із тяговими перетворювачами, які повинні витримувати високі температури; тому мікросхеми з карбіду кремнію є ідеальним рішенням у цьому випадку, адже ці універсальні мікросхеми, виготовлені зі суміші кремнію та вуглецю, здатні працювати при температурах до 500 °C — ідеально підходять для сонячної енергетики або залізничного транспорту!

Напівпровідники з карбіду кремнію мають ширшу заборонену зону, що дозволяє їм працювати на вищих частотах і напругах, ніж їхні кремнієві аналоги, забезпечуючи тим самим більшу потужність при менших втратах та маючи нижчу швидкість дрейфу насичення, ніж стандартні кремнієві мікросхеми.

Зі зростанням попиту на електромобілі зростають і вимоги до високопродуктивних компонентів. Це, зокрема, стосується підвищення продуктивності двигуна для забезпечення необхідних характеристик прискорення — часто відомих як “Ludicrous Mode”. Для цього можуть знадобитися більш потужні конденсатори та надійні електричні кабелі, щоб задовольнити ці потреби.

Польові транзистори з металооксидним напівпровідником (MOSFET) на основі карбіду кремнію (SiC) зараз стають широко доступними та придатними для використання в тягових інверторах, забезпечуючи зменшення втрат на перемиканні та провідності, що призводить до зниження загальних втрат потужності в системі — і, отже, до суттєвого зниження експлуатаційних витрат на електроенергію.

Промислове застосування

Карбід кремнію став перспективним напівпровідниковим матеріалом у сферах застосування з високою потужністю, зокрема в силовій електроніці електромобілів та приладах космічних роверів (Mantooth, Zetterling & Rusu). Карбід кремнію має більшу ширину забороненої зони, ніж традиційні кремнієві напівпровідники, і працює при значно вищих температурах, напругах та частотах, що робить його привабливою альтернативою кремнію. Він може працювати при вищих температурах, напругах та частотах, ніж традиційні кремнієві напівпровідники (які мають меншу ширину забороненої зони). Характеристики карбіду кремнію також роблять його привабливою альтернативою у вимогливих сферах застосування, таких як силова електроніка для електромобілів або прилади, що використовуються в космічних дослідженнях (Mantooth, Zetterling & Rusu).

Карбід кремнію вперше знайшов промислове застосування у вигляді світлодіодів та детекторів у ранніх радіоприймачах, які потребували високих робочих температур та рівнів напруги. MOSFET на основі карбіду кремнію вперше з'явилися у продажу в 1970-х та 1980-х роках; вони мали структуру з перехресним з'єднанням, що складалася з напівпровідників p-типу, розміщених між ізолюючими шарами оксиду, з електродами затвора, розташованими між ними. Завдяки низькому опору мікросхеми з карбіду кремнію забезпечували протікання струму при вищих температурах із меншими втратами потужності.

Силові пристрої на основі карбіду кремнію кардинально змінюють підхід до живлення електромобілів, оскільки вони витримують більш високе тепловиділення, мають довший термін експлуатації та є більш енергоефективними, ніж напівпровідники на основі кремнієвих силових транзисторів. Тому багато виробників електромобілів обирають пристрої на основі карбіду кремнію, щоб знизити вартість та вагу автомобілів.

Базові SiC-пластини та напівпровідникові рішення компанії Wolfspeed надають розробникам систем живлення все необхідне для модернізації будь-якої системи живлення з переходом на технологію карбіду кремнію, що дозволяє заощадити 40% лише на витратах енергії на охолодження завдяки встановленню SiC-силових транзисторів Wolfspeed у сервери.