Avantages des semi-conducteurs en carbure de silicium

Les semi-conducteurs en carbure de silicium traitent l'électricité plus efficacement que leurs prédécesseurs dans de nombreuses applications clés, ce qui permet aux fabricants de voitures électriques d'augmenter l'autonomie et de réduire les temps de charge.

L'usine de production de puces en carbure de silicium de Bosch à Roseville, en Californie, qui produisait auparavant des ASIC en silicium standard, est désormais opérationnelle à plein temps pour la fabrication de puces en carbure de silicium - bien que cette transition puisse présenter certains défis.

Haute tension

Le carbure de silicium est depuis longtemps reconnu pour sa capacité à supporter des tensions élevées, ce qui en fait un composant intégral des applications à forte densité de puissance telles que les commandes de moteurs de véhicules électriques et les onduleurs de contrôle de traction. Le carbure de silicium aide les véhicules électriques à améliorer leur efficacité et leur autonomie tout en réduisant leur poids et leur volume.

Ces semi-conducteurs ont également une plage de température de fonctionnement plus étendue que les dispositifs traditionnels en silicium, ce qui leur confère une plus grande fiabilité à des températures plus élevées, jusqu'à 800 °C, qu'avec le silicium seul. Le silicium cesse de fonctionner aux alentours de 250 à 300 °C, tandis que le carbone permet à votre dispositif de fonctionner jusqu'à ce seuil sans cesser de fonctionner de manière fiable.

Les puces en carbure de silicium offrent aux fabricants de plus grandes capacités de tension de claquage, ce qui leur permet de produire des dispositifs plus petits avec une résistance réduite et des vitesses de commutation plus rapides, entraînant une réduction de la perte d'énergie et de la production de chaleur par rapport aux dispositifs traditionnels en silicium.

Les chercheurs ont créé des méthodes pour optimiser les performances des semi-conducteurs en optimisant leurs capacités de thyristor et de diode à dispositif unique et ont intégré ces composants dans des modules pour répondre à des exigences spécifiques en matière de commutation de puissance.

Les puces en carbure de silicium sont largement utilisées, notamment dans les systèmes d'alimentation pulsée de l'armée qui nécessitent des composants légers mais puissants, dans les installations d'énergie solaire et les stations de recharge de véhicules électriques, dans les applications de technologies vertes telles que les cellules solaires photovoltaïques, et le dernier rapport de Yole prévoit leur augmentation continue jusqu'en 2024.

Haute température

Le carbure de silicium est un matériau à large bande interdite qui supporte mieux les températures élevées que les semi-conducteurs traditionnels en raison de son large écart de niveaux d'énergie, ce qui permet de disperser la chaleur plus efficacement tout en diminuant la résistance et en améliorant l'efficacité. En outre, les puces en carbure de silicium conduisent plus d'électricité et commutent presque dix fois plus vite que leurs homologues en silicium, ce qui réduit la perte de puissance et la consommation globale d'énergie.

La technologie permet aux fabricants de produire des composants plus légers, ce qui contribue à réduire le poids des véhicules électriques tout en augmentant l'autonomie sans compromettre les performances ou la fonctionnalité.

Les puces en carbure de silicium pourraient remplacer les semi-conducteurs de puissance dans les moteurs électriques et les chaînes cinématiques afin de les rendre plus petits et plus légers, qui pourraient ensuite être combinés pour former des systèmes de véhicules complets visant à maximiser l'efficacité.

Alors que les gouvernements et les consommateurs exigent des voitures électriques qu'elles produisent moins d'émissions et consomment moins de carburant, la demande de matériaux à large bande interdite tels que le carbure de silicium incite les fabricants de puces à produire ce composant essentiel destiné à ces véhicules. Bosch propose ce composant essentiel sous la forme de semi-conducteurs de puissance en carbure de silicium, à la fois puissants et économes en énergie, qui peuvent être fournis individuellement ou sous la forme de solutions complètes telles que l'eAxle.

Conductivité élevée

Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur avancé qui offre des performances supérieures à celles des puces en silicium traditionnelles. Les puces en carbure de silicium peuvent supporter des températures, des tensions et des fréquences plus élevées que leurs homologues en silicium, ce qui les rend adaptées aux applications nécessitant un rendement énergétique élevé.

La large bande interdite du carbure de silicium est l'un de ses principaux avantages, car elle permet aux électrons de se déplacer plus facilement entre les bandes de valence et de conduction, ce qui réduit la résistivité à l'état passant et la perte d'énergie par transfert de chaleur. En outre, cette moindre résistance à l'état passant permet d'accélérer les vitesses de commutation et d'améliorer l'efficacité énergétique.

La combinaison des propriétés du carbure de silicium en fait un matériau idéal pour les applications exigeantes, notamment l'électronique de puissance des véhicules électriques ou les instruments des engins spatiaux utilisés pour l'exploration terrestre et extraterrestre. Selon IEEE Spectrum, les circuits en carbure de silicium seront probablement nécessaires en 2024 lorsque la NASA lancera la prochaine mission sur Mars.

Les puces en carbure sont rapidement devenues un composant inestimable dans l'industrie automobile, où elles améliorent les performances des batteries et augmentent l'autonomie. Les puces en carbure gèrent plus efficacement les flux d'électricité entre les batteries et les moteurs, ce qui permet d'augmenter l'autonomie par charge et d'améliorer la gestion de l'énergie en général. En outre, les puces en carbure de silicium réduisent les pertes de chaleur, ce qui permet d'utiliser des systèmes de refroidissement plus compacts qui économisent encore plus d'énergie.

Faible poids

Les puces en carbure de silicium sont capables de supporter une tension plus élevée sans nécessiter de composants et de refroidisseurs plus importants, ce qui leur permet d'être plus petites et plus légères, réduisant ainsi la taille et le coût total du système.

Le carbure de silicium possède également un coefficient de dilatation thermique extrêmement faible, ce qui signifie que lorsqu'il est chauffé ou refroidi, il ne se dilate ou ne se contracte pas aussi rapidement que la plupart des matériaux, ce qui simplifie grandement la miniaturisation des puces.

La combinaison unique de propriétés du carbure de silicium en fait une matière première intéressante pour les dispositifs semi-conducteurs de puissance, ce qui permet de créer de nouveaux produits tels que des dispositifs de stockage d'énergie, des entraînements de moteurs industriels, des onduleurs de traction et des alimentations électriques.

Les puces d'alimentation en carbure de silicium ont déjà fait des vagues dans l'industrie automobile. Le remplacement des puces au silicium conventionnelles par des puces au carbure de silicium dans l'essieu électrique d'un véhicule électrique pourrait potentiellement prolonger son autonomie jusqu'à 5 % de plus.

La technologie SiC gagne aussi rapidement du terrain sur le marché des centres de données, où elle est utilisée pour réduire les besoins en énergie des opérations d'intelligence artificielle. Cela est possible grâce à leur capacité à gérer plus efficacement des tensions et des fréquences plus élevées, ce qui permet d'obtenir des machines plus puissantes avec une efficacité accrue.