Avances tecnológicos con carburo de silicio
El carburo de silicio se ha adoptado rápidamente para su uso en una gama de aplicaciones existentes, proporcionando ventajas clave a los diseñadores y fabricantes de sistemas. Este artículo explora algunos de los últimos avances tecnológicos asociados con este amplio material semiconductor de banda de banda.
Electricamente, SIC está ayudando a aumentar el rendimiento de los dispositivos de energía y los sistemas de carga rápida para vehículos eléctricos (EV). Además, su durabilidad permite aplicaciones industriales más robustas que pueden soportar temperaturas extremas y entornos duros.
El carburo de silicio es un material semiconductor rico en energía con tres veces la energía de la banda del silicio, que consiste en silicio (número atómico 14) y carbono (número atómico 6). Por lo general, se forma en estructuras hexagonales compuestas de compuestos químicos de forma hexagonal con paredes hexagonales.
Silicon (SI) se ha utilizado durante mucho tiempo en dispositivos de energía, pero ha alcanzado su límite físico cuando se trata de minimizar la pérdida de energía, lo que requiere un cambio a otros materiales. Los dispositivos 4H-Silicon Carbide (SIC) proporcionan ventajas de rendimiento necesarias para aplicaciones de alto voltaje como vehículos eléctricos, estaciones de carga rápida e inversores solares.
SIC es una opción de material ideal para dispositivos de potencia, que ofrece muchas ventajas clave desde la resistencia de voltaje reducido hasta las mayores frecuencias de conmutación. Además, SIC permite dispositivos más pequeños y más ligeros que proporcionan una mayor densidad de potencia con un manejo térmico mejorado.
A medida que los dispositivos de potencia en un vehículo eléctrico (EV) aumentan en voltaje y frecuencia para admitir la carga rápida de CC y aumentar la eficiencia, requieren materiales robustos pero duraderos que puedan soportar temperaturas más altas: los dispositivos SIC ofrecen beneficios significativos sobre el silicio tradicional a este respecto, lo que es capaz de temperaturas resistentes de hasta 300 grados Celsius en comparación con 175 para el silicio convencional.
SIC puede reducir las pérdidas de voltaje y corriente, aumentar las velocidades de conmutación y mejorar el manejo térmico para crear electrónica de potencia más pequeña, segura y más confiable. La selección de las variantes SIC apropiadas requiere un conocimiento experto para equilibrar las compensaciones entre costos, requisitos de enfriamiento, especificaciones de rendimiento y compensaciones en especificaciones de rendimiento para aplicaciones específicas. Aptiv está exclusivamente calificado para ayudar a nuestros clientes a alcanzar el rendimiento y la confiabilidad que cumplen con sus expectativas con SIC en los sistemas de energía automotriz.
2. Dispositivos de potencia de alta frecuencia
El carburo de silicio (SIC) es un material semiconductor de banda ancha con varias ventajas inherentes sobre los dispositivos de silicio tradicionales para aplicaciones de potencia de alta frecuencia. Los diodos SIC, FET y MOSFET pueden funcionar de manera más segura a temperaturas más altas sin comprometer la confiabilidad, lo que permite sistemas electrónicos de mayor densidad de potencia.
Los transistores de SIC son más pequeños y pueden manejar niveles de corriente más altos a un voltaje fijo que los de silicio tradicionales, lo que resulta en tamaños de paquetes reducidos, niveles reducidos de capacitancia parasitaria, capacidades de gestión térmica superiores, velocidades de conmutación más rápidas y menos pérdidas de potencia. Además, la mayor resistencia al campo de descomposición de SIC les permite soportar condiciones más severas antes de alcanzar umbrales críticos y fallar por completo.
La tecnología de carburo de silicio está revolucionando sistemas de energía de vehículos eléctricos (EV), particularmente convertidores DC a DC y cargadores a bordo utilizados para alimentar motores y otros electrodomésticos a bordo de un EV. El aumento de las ganancias de eficiencia energética del carburo de Silicon puede reducir los costos de fabricación y los costos de propiedad total asociados con el cambio.
El carburo de silicio requiere un enfoque integral en estos sistemas, adoptando un enfoque a nivel de sistema para abordar los desafíos, como la selección de variantes de material apropiadas, encontrar formas de equilibrar las compensaciones entre los requisitos de enfriamiento y el rendimiento de la energía, y optimizar el diseño para la fabricación. La experiencia de APTIV como integrador de sistemas los hace bien posicionados para acelerar su uso en los sistemas de energía EV, desde inversores de control de tracción hasta la carga a bordo.
El silicio se ha utilizado durante mucho tiempo en dispositivos de semiconductores de potencia, pero está comenzando a alcanzar sus límites. Los transistores de silicio utilizados en los inversores y los convertidores DC a DC comienzan a perder eficiencia y confiabilidad a medida que aumentan las temperaturas de funcionamiento, mientras que el carburo de silicio (sic) ofrece mejores soluciones debido a su amplia banda de bandas, lo que permite a los electrones más libertad entre valencia y bandas de conducción de sus átomos, Hacer que SIC sea más resistente a la degradación bipolar al tiempo que proporciona velocidades de conmutación más rápidas.
SIC se puede convertir en semiconductores a través del dopaje, un proceso en el que las impurezas se agregan deliberadamente de manera controlada para hacer SIC semiconductor. Esto permite dispositivos como IGBT y MOSFET que exhiben un alto voltaje de descomposición con baja resistencia a la encendido a varias temperaturas que se crean utilizando este material.
La producción de carburo de silicio de hoy sigue los mismos pasos que su primera producción sintética en 1891 por Edward Acheson. Acheson calentó una mezcla de arena de sílice pura y carbono en forma de Coca -Cola molida en un horno con calefacción eléctrica hasta que se produjo la fusión; Una vez hecho, aparecieron cristales negros que se parecían al diamante. Más tarde encontraron el uso como abrasivos, metalurgias y productos de refractarios, mientras que ahora también están siendo utilizados por Power Electronics para aplicaciones de alta temperatura.
El carburo de silicio cuenta con un amplio grupo de banda electrónico, lo que significa que más electrones pueden saltar a través de él en comparación con los dispositivos de semiconductores de silicio estándar. Además, su conductividad térmica excede la del silicio, por lo que puede controlar de manera más eficiente las altas temperaturas.
Los transistores SIC son ideales para aplicaciones que requieren alto rendimiento y eficiencia a altas temperaturas, como convertidores de energía para cargar baterías eléctricas de vehículos. Su ancho de banda más amplio y sus tasas de conmutación más rápidas les permiten operar a voltajes más bajos que los transistores de silicio que permiten soluciones más pequeñas y livianas con pérdidas reducidas en todo el sistema.
En la actualidad, estamos presenciando una ola emergente de empresas que desarrollan soluciones de almacenamiento de energía de alta temperatura para equilibradores de red utilizando CSP combinado con almacenamiento térmico, así como clientes industriales que requieren soluciones de energía a calor. La mayoría son nuevas empresas que recaudan importantes fondos de capital de riesgo. Se especializan en proporcionar soluciones de equilibrio de potencia utilizando CSP combinados con almacenamiento térmico, así como opciones de potencia de calor.
Antora Energy from California ha avanzado grandes en esta arena y recientemente anunció una ronda de financiación de USD 150 millones dirigida por BlackRock e incluyendo la firma de inversión estatal de Singapur Temasek. Goldman Sachs estima que el almacenamiento de alta temperatura podría reducir los costos generales relacionados con la fabricación de vehículos eléctricos en casi USD 2,000 por vehículo producido, así como mejorar los procesos de carga y aumentar la eficiencia.