Kiselkarbidchips - den hemliga såsen för BEV-drivlinor

Kiselkarbidchip är en av de hetaste halvledarna som biltillverkarna tävlar om att få tag på. Dessa halvledare finns främst i BEV-drivlinor och hjälper till att spara energi och förlänga körsträckan.

SiC-halvledare bearbetar elektricitet mer effektivt än sina motsvarigheter i kisel. Deras snabbare kopplingshastighet och minskade värmeutveckling minskar behovet av komplex kylning, vilket gör att komponenterna blir mindre och lättare än någonsin tidigare.

Förbättrad effektivitet

Kiselkarbid är ett extremt effektivt halvledarmaterial som kan öka effektiviteten hos BEV:er genom att omvandla mer elektrisk energi till rörelse. Detta ökar räckvidden och förkortar laddningstiderna avsevärt.

SiC-chip har en fördel jämfört med rena kiselhalvledare när det gäller att arbeta vid högre temperaturer samtidigt som de växlar mycket snabbare och förlorar hälften så mycket energi som värme under växling, vilket ökar batteriets effekt med 6% och ökar räckvidden med lika mycket.

Tillverkarna producerar SiC-wafers med antingen fysikalisk eller kemisk förångningsdeposition (CVD). Båda teknikerna kräver betydande utrustning och expertis för att producera kubisk kiselkarbid av hög kvalitet. För att möta den ökande efterfrågan på SiC-wafers utökar Wolfspeed produktionen vid sin anläggning i Siler City, North Carolina.

Wolfspeeds expansion omfattar ökad produktion av 200 mm wafers som driver elfordon och andra avancerade enheter, ny utrustning och personal, inklusive ett utbildningsprogram som är utformat för att attrahera kvinnliga veteraner och tillverkningsarbetare från minoritetsgrupper.

Wolfspeed revolutionerar tillverkningen genom partnerskap med lokala karriärorganisationer för att erbjuda grundutbildning och forskarutbildning inom kiselkarbidteknik och tillverkning - ett exempel på hur företag i branschen för ren energi kan utnyttja sin expertis för ekonomisk utveckling och social förändring.

Längre körsträckor

Kiselkarbidchip (SiC), som består av kisel och kol, har snabbt blivit en av de viktigaste komponenterna inom elfordonsindustrin. De används i stor utsträckning i kraftelektroniksystem som ombordladdare och växelriktare och kan minska storlek och vikt jämfört med traditionella kiselkomponenter, vilket ökar systemeffektiviteten samtidigt som räckvidden utökas.

SiC är ett extremt hårt och tåligt material som klarar höga temperaturer, vilket gör kylsystemen mindre och mer energieffektiva. SiC-chip växlar också snabbare, vilket resulterar i upp till 50% lägre energiförlust som värme än traditionella kiselkomponenter, vilket möjliggör mindre batterier med längre räckvidd på en laddning.

I takt med att allt fler av oss går över till elfordon har efterfrågan på SiC-mikrochips skjutit i höjden. Tack vare Biden-Harris-administrationens CHIPS and Science Act kan Wolfspeed bygga en av världens största fabriker för tillverkning av SiC-wafers - det innebär att amerikanska jobb skapas samtidigt som det ger en tillförlitlig inhemsk försörjning av halvledare som kommer att driva morgondagens ekonomi.

Allison Suba, 26, processingenjör vid Wolfspeeds anläggning i Roseville i Kalifornien, lär sig de nya 8-tums wafers. Dessa kommer att öka produktionskapaciteten mer än femfaldigt och göra det möjligt för Wolfspeed att bättre betjäna sina kunder. Hon lär sig av Tobias Huschitt (30), en erfaren processingenjör med två års erfarenhet på Roseville.

Mer kompakt design

Kiselkarbidchip är viktiga komponenter i elektromobilitet och hjälper elbilar att nå längre sträckor på en laddning. Dessutom utgör de en stor del av en elbils inbyggda system, t.ex. DC-DC-omvandlare och laddare.

I takt med att efterfrågan på kiselkarbidkomponenter ökar, utökar Bosch renrumsutrymmet vid sin waferfabrik i Reutlingen för att få plats med ytterligare utrustning som kan hantera de högre spänningsbehoven. Utbyggnaden kommer också att underlätta framtida investeringar i avancerad teknik för tillverkning av kiselskivor som använder kiselkarbidkomponenter.

Enligt Hackaday ger kiselkarbidenheter högre energieffektivitet, bättre tillförlitlighet och mindre buller jämfört med kiselhalvledare - egenskaper som är särskilt viktiga i fordonsapplikationer. Den högre genombrottsspänningen ger också högre energieffektivitet samtidigt som den klarar höga di/dt-frekvenser, vilket gör att den ger upphov till mindre buller än kiselhalvledare.

Kiselkarbidens breda bandgap gör att den tål större elektrisk fältstyrka än kisel, vilket innebär att enheter kan köras varmare utan att förlora prestanda, vilket sparar energi samtidigt som det öppnar upp för fler applikationer.

Kiselkarbidens förmåga att arbeta vid högre temperaturer minskar kylsystemens storlek, vilket frigör utrymme i fordon för ökad lastkapacitet eller elegantare design med bättre aerodynamiska prestanda. För att lära dig mer om dess fördelar, titta på den här intervjun med Crees CTO John Palmour.

Lägre vikt

I takt med att världen går mot en smart elektrifiering kan kiselkarbidchip snabbt komma att ta en allt större andel av marknaden för krafthalvledare. De erbjuder betydande fördelar som högre bränsleeffektivitet och längre körsträckor samtidigt som fordonen blir mindre och lättare.

Karbidchip producerar inte binära elektriska signaler som digitala chip gör, utan styr strömflödet genom att öppna och stänga kretsar vid exakt rätt tidpunkt för att växla mellan likström (DC) och växelström (AC), vilket gör dem lämpliga att använda i allt från hörlursförstärkare till högspänningsledningar.

SiC-krafthalvledare ger förbättrad energieffektivitet och minskad enhetsstorlek tack vare högre spänningar och switchfrekvenser, samt att de tål högre temperaturer - vilket bidrar till att minska kylkostnaderna samtidigt som komponenternas livslängd förlängs.

Kiselkarbidens många fördelar har lett till en snabb ökning och efterfrågan överstiger tillgången, vilket fick Onsemi att utveckla sina EliteSiC-moduler som erbjuder ökad prestanda, förbättrad effektivitet och högre effekttäthet i liknande förpackningslösningar.

Tobias Huschitt är processingenjör vid vår anläggning i Roseville och ingår i onsemis Power Team. Tobias arbetar tillsammans med en kollega och lär sig komplexiteten i kiselkarbidproduktionen - inklusive montering av wafers på ramar för bearbetning i tärningsmaskinen innan han inspekterar chip som produceras från denna process för defekter.