Piikarbidisirut sähköajoneuvoihin

Piikarbidipiirit voivat mullistaa tehoelektroniikan ja mahdollistaa sähköajoneuvoille pidemmät ajomatkat sekä tehokkaammat energianhallintajärjestelmät. Ne pystyvät toimimaan korkeammissa lämpötiloissa, jännitteissä ja taajuuksissa kuin vastaavat piipohjaiset puolijohteet.

Bosch on jo hankkinut Rosevillessä sijaitsevan olemassa olevan tuotantolaitoksen aikomuksenaan muuttaa se SiC-sirujen tuotantoon sopivaksi; valmistuksen aloittamista edeltää kuitenkin lukuisia esteitä, jotka on ensin ylitettävä.

Suurjännitesovellukset

Sähköautot ovat yhä suositumpia, mikä lisää jatkuvasti tarvetta suurjännitteitä kestävälle tehoelektroniikalle. Piin rajoitukset alkavat tässä yhteydessä tulla esiin; tässä suhteessa laajakaistaisilla puolijohteilla, kuten piikarbidilla, on keskeinen merkitys.

Piin karbidin ero piihin nähden on siinä, että sen atomirakenteen ansiosta sen johtavuus- ja valenssikaistojen välinen ero on suurempi, mikä mahdollistaa korkeammat käyttölämpötilat, jännitteet ja taajuudet – tämä avaa piin karbidille uusia käyttömahdollisuuksia.

Pii-transistorit vaativat säännöllistä jäähdytystä, jotta ne eivät sula tai tuhoudu kytkettäessä suurilla jännitteillä, mikä nostaa laitteen kokonaiskustannuksia. Toisaalta piikarbiditransistorit pystyvät kytkemään korkeammilla taajuuksilla ilman, että suorituskyky tai luotettavuus kärsii, mikä tarkoittaa, että sähköauton invertteriin tarvitaan vähemmän komponentteja ja rakenteen koko ja paino pienenevät.

Piikarbidi mahdollistaa tämän erinomaisen sähkökentän voimakkuutensa ansiosta; sen sähkökentän voimakkuus on lähes kymmenkertainen perinteiseen piihin verrattuna, sen ON-vastus pinta-alayksikköä kohti on pienempi ja sen jännitteenkestävyys on parempi ohuempien drift-kerrosten ansiosta; näiden ominaisuuksien ansiosta piikarbidi pystyy täyttämään kaikki sähköajoneuvojen ja akkukäyttöisten teollisuuslaitteiden tehoelektroniikalle asetetut vaatimukset.

Suuritehoiset sovellukset

Piikarbidipiirit ovat saaneet yhä enemmän suosiota, kun hallitukset ympäri maailmaa pyrkivät vähentämään päästöjä ja kehittämään polttoainetehokkaampia ajoneuvoja, ja niistä on tullut houkutteleva ratkaisu. Toisin kuin perinteiset kapean kaistavälin piipuolijohteet, SiC:n laaja kaistaväli mahdollistaa sähkön tehokkaamman käsittelyn ja vähentää samalla energiahäviöitä.

SiC:n suurempi kaistaväli helpottaa sähkövirran kulkua pienemmällä vastuksella, mikä mahdollistaa puolet ohuempien laitteiden valmistamisen. Lisäksi tämä tarkoittaa, että kytkentään on käytettävissä suurempi sähköpotentiaaliero, mikä johtaa parempaan hyötysuhteeseen ja komponenttien määrän vähenemiseen – puhumattakaan lämmönjohtavuudesta, joka vähentää tehohäviöitä ja tekee SiC:stä entistäkin tehokkaamman!

SiC:n laaja kaistaväli ja erinomainen sähkönjohtavuus mahdollistavat tehokkaat energianhallintaratkaisut, jotka pidentävät ajomatkaa yhdellä latauksella.

SiC on jo vakiinnuttanut asemansa sähköautojen keskeisissä komponenteissa, kuten akkulatureissa, inverttereissä ja aurinkosähköpaneeleissa. Piikarbidi voisi jonain päivänä korvata piin vetovoimainverttereissä ja aurinkosähkön DC-DC-muuntimissa, mikä lyhentäisi latausaikoja ja parantaisi energianhallintaa; tämä puolestaan mahdollistaisi entistä pienempiä ajoneuvoja ja entistä tehokkaamman energianhallinnan.

Vähävirtaiset sovellukset

Sähköisen liikenteen kiinnostuksen kasvaessa maailmanlaajuisesti tehoelektroniikkalaitteiden on tarjottava erinomaista hyötysuhdetta, luotettavuutta ja kompaktiutta – ominaisuuksia, joita piikarbidi tarjoaa. Siinä yhdistyvät poikkeukselliset ominaisuudet, jotka täyttävät nämä vaativat vaatimukset.

SiC:n suurin etu piihin verrattuna on sen suurempi kaistaväli, jonka ansiosta elektronit voivat liikkua vapaammin valenssikaistoista johtavuuskaistoihin ja kestää siten huomattavasti voimakkaampia sähkökenttiä. Lisäksi SiC kytkeytyy nopeammin, mikä mahdollistaa pienemmät ohjauspiirit ja vähentää energiahäviötä.

Piikarbidilla on useita erilaisia rakenteita, joita kutsutaan polytyypeiksi. Ne eroavat toisistaan piin ja hiilen atomien pinoamisjärjestyksessä – laitteen käyttämästä polytyypistä riippuen sen sähköiset ja lämpöominaisuudet voivat muuttua vastaavasti.

Tällä hetkellä käytettävissä olevat SiC-valmistusprosessit eivät täytä suurikokoisia piikiekkoja vaativien korkean suorituskyvyn sovellusten vaatimuksia. SiC:n siirtyessä kohti 200 mm:n piikiekkoja Rosevillen tiimin jäsenille annetaan koulutusta näiden uusien laitteiden käytöstä – mukaan lukien SiC-piikiekkojen kiinnittäminen kehyksiin leikkauskoneen läpikäyntiä varten ja sen jälkeinen vikojen tarkastus. Lopuksi myös lämmönpoisto on merkittävä haaste. Suorituskykyiset piikarbidipiirit tuottavat huomattavasti lämpöä, jota on hallittava tehokkaasti laitteen suorituskyvyn heikkenemisen tai ennenaikaisen vikaantumisen estämiseksi.

Autoteollisuuden sovellukset

Nykymaailmaa olisi mahdoton kuvitella ilman puolijohdekomponentteja, joita löytyy kaikkialta älypuhelimista sähköautoihin. Niiden yleistyminen on nostanut erityisesti piikarbidi (SiC) -sirujen kysynnän huimasti.

Nämä laajakaistavälin puolijohteet kestävät enemmän tehoa korkeammilla jännitteillä kuin vastaavat piipuolijohteet, ja niillä on nopeammat kytkentäajat sekä pienemmät energiahäviöt – ja ne vievät samalla puolet vähemmän tilaa. Tämä auttaa valmistajia parantamaan tehokkuutta ja luotettavuutta vähentämällä näiden puolijohteiden asennustilan vaatimuksia.

Piikarbidi on osoittanut arvonsa materiaalina, joka soveltuu sähköajoneuvosovelluksiin, kuten akkujen hallintajärjestelmiin ja ajoneuvoon asennettaviin latureihin. Nämä sovellukset auttavat säästämään akkuenergiaa, pidentämään ajomatkaa yhdellä latauksella ja mahdollistavat nopeammat latausajat – ominaisuuksia, joita autovalmistajat odottavat yhä enemmän puhtaasti sähkökäyttöisten ajoneuvojen (BEV) toimittajilta, kun yhä useampia BEV-malleja saapuu jälleenmyyjien myyntipisteisiin.

Bosch panostaa voimakkaasti SiC-tekniikkaan ja investoi yli 1,5 miljardia euroa muuttaakseen Rosevillessä Kaliforniassa sijaitsevan tehtaansa tämän keskeisen teknologian huipputason tuotantolaitokseksi. Tämä edellyttää puhdastilojen laajamittaista modernisointia sekä tämän uuden prosessin hallitsevan erikoisosaajien palkkaamista.

Tämän seurauksena SiC-levyjen tarkastuksessa käytettävät laadunvarmistustyökalut joutuvat valtavan paineen alle. MTI Instrumentsin kapasitanssipohjainen off-line-mittausjärjestelmä ProForma 300iSA tarjoaa kustannustehokkaita tarkastuksia, jotka tukevat varhaisia laadunvarmistustoimia ja auttavat ehkäisemään kalliita vikoja, jotka saattavat heikentää tuotantolaitosten tuotantoastetta.