Il carburo di silicio sta contribuendo significativamente alla mobilità elettrica e alla digitalizzazione dei processi industriali. Ma cos’è il SiC? Come si differenzia dal silicio tradizionale? E cosa lo rende un materiale ideale per i veicoli elettrici? Continua a leggere per scoprirlo.
Per oltre 65 anni, il silicio è stato senza dubbio il simbolo della rivoluzione dell’industria dei semiconduttori. Dalla realizzazione di calcolatrici elettroniche tascabili all’alimentazione dell’era digitale che conosciamo oggi. Ma con l’esaurirsi della Legge di Moore, la crescente attenzione per le tecnologie energetiche pulite e la carenza di chip a livello globale, la richiesta di soluzioni più intelligenti e più efficienti dal punto di vista energetico è ai massimi storici.
L’inizio della rivoluzione
Una stella nascente ha iniziato a fare la differenza nel mondo dell’elettronica di potenza: Il SiC. Un cugino stretto del silicio, si è imposto per le sue prestazioni distintive e l’impressionante efficienza energetica. Scoperto per la prima volta nel 1891 dall’inventore americano Edward G. Acheson, nel tentativo di produrre diamanti artificiali, il composto cristallino di silicio (Si) e carbonio (C) ha subito una notevole evoluzione.
Oggi, in termini di materiali e processi sofisticati, il SiC si trova dove il silicio si trovava circa 30 anni fa. Tuttavia, sebbene il maggiore utilizzo del composto nei semiconduttori sia relativamente recente, la domanda di dispositivi SiC è in crescita.
Secondo MarketsandMarkets, il mercato SiC dovrebbe passare da 899 milioni di dollari nel 2021 a 2.113 milioni di dollari nel 2026, con un tasso di crescita annuale composto del 18,7%. Questa ascesa è guidata principalmente dall’aumento della domanda di mercato per l’elettronica di potenza e per i veicoli elettrici avanzati (EV), ibridi plug-in e ibridi completi.
Vediamo più da vicino alcune delle principali differenze, i principali vantaggi, compromessi e i diversi parametri da considerare nella scelta tra soluzioni basate su SiC e Si.
Proprietà del materiale
In quanto materiale semiconduttore ad ampio bandgap (WBG), le proprietà termiche ed elettroniche sono superiori rispetto al silicio tradizionale. L‘efficacia del SiC nelle applicazioni EV e in altri dispositivi elettronici di potenza è in gran parte dovuta al materiale stesso. Rispetto al silicio, il SiC offre:
- Un’intensità del campo di rottura dielettrico 10 volte superiore
- Velocità di saturazione degli elettroni 2 volte superiore
- Bandgap energetico 3 volte superiore
- Conduttività termica 3 volte superiore
Con i vantaggi sopra menzionati, il vantaggio del SiC aumenta di pari passo con l’aumento della tensione operativa. Infatti, rispetto al silicio gli interruttori SiC a 1200 V hanno un valore aggiunto rispetto a quelli a 600 V. Queste proprietà hanno determinato una trasformazione radicale dei dispositivi di commutazione di potenza SiC, migliorando sostanzialmente l’efficienza del sistema nei veicoli elettrici, nella ricarica dei veicoli e nelle infrastrutture energetiche, rendendo il SiC la scelta ideale per gli OEM e le case automobilistiche di primo livello di tutto il mondo.
Il rapporto costo/prestazioni del SiC è piuttosto basso per le operazioni a bassa tensione, al di sotto dei 300 V. È qui che si prevede l’adozione di un altro semiconduttore WBG, il nitruro di gallio.
Caratteristiche delle prestazioni: Gamma ed efficienza
La maggiore efficienza energetica si traduce in una maggiore autonomia di guida con una singola carica. Ma anche in batterie più piccole per gli inverter di trazione e in tempi di ricarica più rapidi per i caricabatterie di bordo (OBC).
Nel mondo dei veicoli elettrici, una delle maggiori opportunità per i contenuti automobilistici risiede nella sostituzione del motore a combustione. L’inverter di trazione della trasmissione elettrica ha cambiato il gioco e la corrente alternata (AC) alimenta il motore dell’auto ad altri componenti elettronici.
I MOSFET SiC diventano quindi un fattore commerciale vincente quando il formato, le dimensioni dell’inverter o del blocco c.c./c.c., l’efficienza e l’affidabilità sono caratteristiche fondamentali.
Prendiamo l’esempio di Tesla. Mentre le prime generazioni di veicoli elettrici dell’azienda utilizzavano IGBT a base di silicio, la crescita del mercato delle berline di serie ha portato l’azienda a utilizzare MOSFET SiC nella Tesla Model 3, ottenendo prestazioni uniche nel settore.
Potenza: tutto parte da quì
Le caratteristiche del materiale SiC ne fanno una scelta obbligata per le applicazioni ad alta potenza che richiedono temperature, correnti e conducibilità termica elevate. Secondo Goldman Sachs, l’efficienza dell’eroe SiC può ridurre il costo di produzione e il costo di proprietà degli EV di quasi 2.000 dollari per veicolo.
Nel tentativo di ridurre al minimo le emissioni di carbonio causate dalle inefficienze di potenza a tensioni più elevate, stiamo assistendo a una maggiore spinta all’interno del settore a privilegiare il SiC rispetto ad altri materiali. Molti clienti EV sono già riusciti a sostituire le soluzioni al silicio esistenti con i nuovi switch SiC, dimostrando rapidamente il valore aggiunto della tecnologia SiC a livello di sistema.
Il SiC offre una minore resistenza di drain-source on-resistance e minori perdite di commutazione, consentendo una maggiore efficienza nell’intero intervallo operativo. In questo modo si riducono gli sprechi di energia, viene erogata più potenza alla batteria e allo stesso tempo aumenta la densità di potenza, con il risultato di sistemi più compatti, creando un sistema più efficiente a un costo inferiore per l’utente finale.
Il fattore costo
Oggi, una regola comune sul mercato è che i componenti SiC costano circa 3 volte di più rispetto ai predecessori in silicio a parità di potenza. Uno dei motivi principali è la disponibilità di SiC, che è ancora molto scarsa rispetto al silicio.
Qualche anno fa, i principali fornitori di SiC passavano ore a cercare di convincere i propri clienti che il costo aggiuntivo valeva il ROI (ritorno sull’investimento) a lungo termine. Oggi il mercato è maturato e gli OEM sono più consapevoli dei vantaggi dei moduli SiC e di come questi possano aiutarli a raggiungere il livello di potenza desiderato.
Il SiC e il silicio hanno un diverso ritorno dell’investimento a seconda dell’applicazione prevista
Ad esempio, se un fornitore di primo livello sviluppa un sistema di azionamento, un inverter di trazione basato su SiC sarà sicuramente più costoso di un inverter IGBT “classico”. Quindi, non c’è ritorno dell’investimento. Ma se si fa un passo avanti con una casa automobilistica o un OEM che integra l’intera soluzione, una soluzione SiC offre la possibilità di avere un’autonomia supplementare del 4%-8% o di ridurre il numero di celle della batteria (uno dei componenti più costosi in un veicolo elettrico). Pertanto, una parte del costo aggiuntivo pagato viene recuperata.
Il passaggio dei MOSFET SiC da wafer da 6 a 8 pollici è una tappa fondamentale per rafforzare la fornitura di SiC ed aumentare l’efficienza teorica del capitale di oltre il 50%.
Tuttavia, date le numerose sfide tecniche relative alla maturità dell’attuale tecnologia SiC, sarà necessario uno sviluppo ingegneristico fondamentale. Un investimento prematuro in un SiC da 8 pollici rischia di aumentare esponenzialmente la complessità della tecnologia e di ostacolare i progressi verso la risoluzione.
Opportunità di mercato
Il mercato automobilistico sta assistendo a una crescente popolarità dei sistemi di trazione integrale, in cui il conducente può scegliere se utilizzare due assi separati per la guida, a seconda delle condizioni della strada (che sia innevata, ghiacciata, bagnata o asciutta). L’asse più grande si trova in genere nella parte posteriore del veicolo ed è attivo per la maggior parte del tempo a causa della sua efficienza. In questo caso, vengono spesso utilizzate soluzioni a base di SiC.
L’asse anteriore, invece, che è l’asse secondario del veicolo, è noto per la sua accelerazione extra. In questo caso, si utilizzano tipicamente soluzioni IGBT a base di SiC. Questa configurazione di trasmissione offre un compromesso ottimale tra costi ed efficienza a livello di sistema.
La seconda più grande opportunità di mercato per il SiC nell’elettronica di potenza è rappresentata dall’OBC, che converte la corrente alternata della stazione di ricarica in corrente continua per ricaricare la batteria dell’auto. Con i progressi della tecnologia SiC negli ultimi anni, la sua adozione negli OBC è diventata una pratica molto più diffusa.
Guardando al futuro
L’aumento del numero di veicoli elettrici richiederà la realizzazione di una rete di infrastrutture di ricarica rapide ed efficienti. Gli operatori del settore, come Tesla, hanno già dato prova di un successo nell’utilizzo del SiC e dell’esigenza del mercato di una maggiore autonomia, rendendo molti OEM molto più consapevoli dei vantaggi tecnologici del SiC e dell’implementazione di trasmissioni elettriche in SiC.
Con un numero sempre maggiore di operatori del settore che desiderano espandere la loro presenza nel SiC, la sfida più grande risiede nelle loro catene di fornitura. La questione diventa quindi quanto i clienti saranno coraggiosi nel concludere accordi a lungo termine con i fornitori di SiC in tutto il mondo per prenotarne la loro futura disponibilità.
Mentre pianifichiamo un’economia a emissioni nette zero e un numero sempre maggiore di Paesi e aziende si impegnano a eliminare gradualmente i veicoli a combustibili fossili entro il 2040 o prima, i progressi nelle soluzioni basate sul SiC saranno fondamentali per creare innovazioni rivoluzionarie in grado di sostenere un ecosistema responsabile e sostenibile.
Articolo tradotto dall’originale di www.electronicdesign.com.
