Kiselkarbidchip för elfordon

Kiselkarbidchip kan förändra kraftelektroniken och göra det möjligt för elfordon att få längre räckvidd och effektivare energihanteringssystem. De kan arbeta vid högre temperaturer, spänningar och frekvenser än sina motsvarigheter i kiselhalvledare.

Bosch har redan förvärvat en befintlig fabrik i Roseville med planer på att bygga om den för tillverkning av SiC-chip, men det finns många hinder som måste övervinnas innan någon tillverkning kan påbörjas.

Högspänningsapplikationer

Elfordon blir alltmer populära, vilket skapar ett ständigt ökande behov av kraftelektronik som kan hantera höga spänningar. Kisel börjar visa sina begränsningar här; halvledare med brett bandgap som kiselkarbid blir avgörande i detta avseende.

Kiselkarbid skiljer sig från kisel genom att dess atomstruktur ger en större skillnad mellan dess ledningsband och valensband, vilket möjliggör högre temperaturer, spänningar och frekvenser för drift - detta öppnar upp för nya applikationer för kiselkarbid.

Kiseltransistorer kräver ofta kylning för att inte smälta eller förstöras när de växlar vid höga spänningar, vilket ökar enhetens totala kostnader. Å andra sidan kan kiselkarbidtransistorer växla vid högre frekvenser utan att kompromissa med prestanda eller tillförlitlighet, vilket innebär att färre komponenter behöver ingå i en elbils växelriktare och därmed skapa en mindre och lättare design totalt sett.

Kiselkarbid gör detta möjligt tack vare sin överlägsna elektriska fältstyrka, som är nästan 10 gånger högre än hos konventionellt kisel, lägre ON-motstånd per area och ökad spänningshållfasthet genom tunnare driftlager, vilket gör att kiselkarbid kan uppfylla alla aspekter av kraftelektronik som krävs för elfordon och batteridriven industriell utrustning.

Högeffektsapplikationer

Kiselkarbidchip har fått ett uppsving i takt med att regeringar runt om i världen strävar efter minskade utsläpp och bränslesnålare fordon, och har blivit en attraktiv lösning. Till skillnad från traditionella kiselhalvledare med smala bandgap gör SiC:s breda bandgap att den kan bearbeta elektricitet mer effektivt samtidigt som energiförlusterna minskar.

SiC:s bredare bandgap gör det lättare för elektriska strömmar att flöda med mindre motstånd, vilket möjliggör enheter som är hälften så tjocka. Dessutom innebär detta att mer av den elektriska potentialskillnaden är tillgänglig för växling, vilket leder till högre effektivitet med färre komponenter som behövs - för att inte tala om värmeledningsförmågans förmåga att minska effektförlusterna och göra SiC ännu effektivare än någonsin!

SiC:s breda bandgap och utmärkta ledningsförmåga innebär att det ger effektiva lösningar för energihantering, vilket leder till längre räckvidd på en laddning.

SiC har redan etablerat sig i viktiga komponenter för elbilar, t.ex. batteriladdare, växelriktare och solcellspaneler. Kiselkarbid kan en dag ersätta kisel i traktionsomvandlare och DC-DC-omvandlare för solceller för snabbare laddningstider och bättre energihantering, vilket möjliggör mindre fordon och snabbare energihantering.

Applikationer med låg effekt

I takt med att det globala intresset för elektrisk mobilitet ökar måste kraftelektroniken erbjuda överlägsen effektivitet, tillförlitlighet och kompakthet - egenskaper som kiselkarbid kan erbjuda. Den har en exceptionell kombination av egenskaper för att uppfylla dessa krävande krav.

SiC:s främsta fördel jämfört med kisel ligger i dess större bandgap, vilket gör att elektroner kan röra sig friare från valensbanden till ledningsbanden och därmed motstå betydligt högre elektriska fält. Dessutom växlar SiC snabbare, vilket leder till mindre styrkretsar och minskad energiförlust.

Kiselkarbid finns i olika strukturer som kallas polytyper. De skiljer sig åt genom hur kisel- och kolatomerna är staplade - beroende på vilken polytyp en enhet använder kan dess elektriska och termiska egenskaper ändras i enlighet med detta.

De tillverkningsprocesser för SiC som finns idag uppfyller inte kraven för högpresterande applikationer som kräver stora wafers. I takt med att SiC övergår till 200 mm wafers utbildas Rosevilles medarbetare i hur man använder dessa nya verktyg - inklusive att montera SiC-wafers på ramar för att sedan köras genom tärningsmaskinen och sedan inspekteras för fel efteråt. Slutligen utgör värmeavledning en annan betydande utmaning. Högpresterande kiselkarbidchips genererar avsevärd värme som måste hanteras effektivt för att undvika att enheten försämras eller går sönder i förtid.

Tillämpningar inom fordonsindustrin

Dagens värld skulle vara otänkbar utan halvledarenheter, som finns överallt från smartphones till elfordon. Spridningen av dem driver upp efterfrågan på framför allt kiselkarbidchip (SiC).

Dessa halvledare med brett bandgap kan hantera mer effekt vid högre spänningar än sina kiselmotsvarigheter och har snabbare kopplingstider och minskade energiförluster, samtidigt som de tar upp hälften så mycket utrymme - vilket hjälper tillverkarna att öka effektiviteten och tillförlitligheten genom att minska kraven på packning av dessa halvledare.

Kiselkarbid har visat sig vara ett material som lämpar sig för applikationer i elfordon, inklusive batterihanteringssystem och ombordladdare. Dessa applikationer bidrar till att spara batterienergi, förlänga körsträckan per laddning och möjliggöra snabbare laddningstider - egenskaper som biltillverkare i allt högre grad förväntar sig av leverantörer av BEV-fordon i takt med att fler BEV-modeller kommer ut i bilhallarna.

Bosch satsar stort på SiC och investerar över 1,5 miljarder euro för att omvandla sin anläggning i Roseville i Kalifornien till en toppmodern anläggning för tillverkning av denna viktiga teknik. Detta kräver omfattande uppgraderingar av renrummen samt anställning av specialistpersonal som är vana att arbeta med den nya processen.

Som ett resultat av detta står kvalitetssäkringsverktyg som används för att inspektera SiC-wafers inför ett enormt tryck. MTI Instruments kapacitansbaserade off-line-mätsystem ProForma 300iSA ger kostnadseffektiva inspektioner som stöder tidiga kvalitetssäkringsinsatser och hjälper till att förhindra dyra defekter som kan hindra avkastningen i tillverkningsanläggningar.