Silicon Carbide y su papel en la industria automotriz

El carburo de silicio (SIC) ocurre naturalmente como la moissanita mineral rara y en cantidades muy limitadas en ciertos meteoritos y depósitos de corundum. La mayoría de SIC vendido hoy se fabrica sintéticamente al derretir la sílice con carbono a altas temperaturas en un horno eléctrico para hacer gránulos SIC.

Las industrias automotrices han recurrido a los dispositivos semiconductores SIC para alimentar los vehículos eléctricos de manera más eficiente y de costo de manera costosa, proporcionando más energía por dólar gastado. Este artículo explorará por qué y cómo.

1. Eficiencia energética

El carburo de silicio, o SIC, es un material ideal para aplicaciones de alto voltaje como las que se encuentran en vehículos eléctricos. SIC puede manejar voltajes más altos de manera más eficiente que los semiconductores de silicio tradicionales y garantiza sistemas de conversión de potencia más pequeños y livianos, proporcionando un mayor potencial de rango de manejo para los EV.

La amplia brecha de banda de SIC le permite funcionar a frecuencias y voltajes mucho más altos que los semiconductores de silicio convencionales, lo que lleva a una menor pérdida y tasas de conmutación más rápidas, así como a un aumento de la capacidad de temperatura de funcionamiento que reduce la necesidad de sistemas de enfriamiento activos que agregan peso y complejidad a EVS.

Los científicos comenzaron a sintetizar artificialmente SIC dos años después de su descubrimiento, utilizando una mezcla de arena de sílice pura y carbono en forma de coca Es decir, reacciones químicas que producen carburo de silicio y gas monóxido de carbono.

Los procesos de producción de carburo de silicio son utilizados por industrias en abrasivos, fabricación metalúrgica y de refractarios. El carburo de silicio es una sustancia extremadamente dura que requiere cuchillas con punta de diamante para cortar; Aunque existen algunas fuentes naturales, como la moissanita (que ocurre raramente en meteoritos y depósitos de corundum) o depósitos de corundum y kimberlita; La mayoría del carburo de silicio disponible comercialmente es de origen sintético.

2. emisiones reducidas

Los sensores y controles electrónicos de alta temperatura de Silicon Carbide en el tren motriz de un automóvil pueden mejorar la combustión del motor para una mayor eficiencia de combustible, eliminando el peso adicional de los sistemas de enfriamiento que agregan costos, lo que ahorra un mayor costo en los sistemas de enfriamiento y el peso de los vehículos adicionales.

Los semiconductores de carburo de silicio superaron a los tradicionales a base de silicio al tener un BandGap más ancho que requiere menos energía para que los electrones salten entre su banda de valencia y banda de conducción; esto permite frecuencias de conmutación más altas, lo que lleva a una operación más rápida con una pérdida de potencia reducida.

Los semiconductores de carburo de silicio se benefician de tener una banda de banda mucho más amplia, lo que les permite soportar voltajes más altos que otros materiales y, por lo tanto, reducir significativamente los tamaños y costos de los componentes del sistema. Un dispositivo de carburo de silicio típico es más de 10 veces más robusto que un dispositivo de nitruro de galio equivalente y puede soportar más de 1000V, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que involucran transmisión de energía de alto voltaje, como inversores de vehículos eléctricos o transmisores 5G.

El carburo de silicio, al igual que su material hermano, carburo de boro, se fabrica mezclando arena de sílice molida con carbono en un horno de tipo de resistencia eléctrica y pasando una corriente eléctrica a través de ella. Esto da como resultado una reacción química que produce una variedad de A-SIC, B-SIC y A-SIC sin reaccionar que luego se coloca en lingotes cilíndricos para fundir en lingotes cilíndricos.

3. Ruido reducido

El carburo de silicio cuenta con la conductividad térmica más alta entre los materiales naturales, mientras que su combinación de dureza, rigidez y coeficiente de baja expansión lo hace muy estable. Debido a estas propiedades, el SIC a menudo se usa como espejos en los telescopios astronómicos y los subsistemas de naves espaciales, como el telescopio espacial Herschel y el Observatorio Satelital Gaia, gracias a Edward Acheson, quien primero sintetizó la SIC artificial en 1891 de un Melt de carbono y alúmina de carbono y alúmina. Nobel prize-winning chemist Henri Moissan later identified transparent forms of this mineral called moissanite found in Canyon Diablo meteorite in Arizona that was later named moissanite by Nobel prize-winning chemist Henri Moissan in 1905 after Nobel prize-winning chemist Henri Moissan observed transparent forms called Moissanite del meteorito de Canyon Diablo.

SIC es ampliamente reconocido en la industria de semiconductores por su resistencia y rendimiento de voltaje superior en comparación con el silicio. La resistencia de voltaje de SIC es 10 veces mayor que la de silicio; y supera el nitruro de galio o los materiales de la brecha de banda ultraal como el nitruro de aluminio y el nitruro de boro en términos de ancho de la brecha de banda, lo que lo hace útil en aplicaciones como convertidores de energía de vehículos eléctricos y sistemas de sensores.

Los semiconductores de carburo de silicio son muy prometedores de reducir los tiempos de carga para los vehículos eléctricos (EV) y extender su rango, pero abordar los desafíos de producción y la capacidad de escala sigue siendo clave para garantizar su adopción generalizada por parte de los fabricantes de EV. Los automóviles eléctricos que utilizan chips de carburo de silicio podrían disminuir potencialmente las pérdidas del sistema en un 30%, al tiempo que aumenta la densidad de potencia al tiempo que disminuye el número de componentes requeridos.

4. Peso reducido

El carburo de silicio (SIC) cuenta con una brecha de banda mucho más amplia que el silicio, lo que permite que los dispositivos electrónicos funcionen a temperaturas, voltajes y frecuencias más altas, mientras que permanecen más eficientes en energía y confiables que sus contrapartes de silicio. Como resultado, se pueden diseñar sistemas electrónicos de potencia más pequeños, más rápidos, más eficientes y confiables.

El plástico reforzado con fibra de vidrio (GFRP) es uno de los materiales más difíciles de la Tierra, lo que lo hace resistente tanto a la presión como al impacto, lo que lo hace perfecto para usar en frenos, embragues y chalecos a prueba de balas. Además, su amplia variedad de técnicas de producción le permite venir en muchas formas y tamaños; haciendo este material altamente versátil.

SIC podría disminuir significativamente el peso y el costo de los sistemas de enfriamiento activos en vehículos eléctricos, acelerando así su adopción de esta tecnología. Con un rango de temperatura de funcionamiento que alcanza 300DEGC, mucho más alto que el límite de 175DEGC de Silicon, el uso de SIC podría acelerar en gran medida su adopción como un componente de vehículos eléctricos.

SIC está experimentando una rápida expansión y tiene el potencial de transformar el automovilismo. Superar los desafíos de producción y ampliar las capacidades de producción es fundamental para el éxito de SIC; La colaboración entre los fabricantes de automóviles y las compañías de semiconductores debería ayudar a realizar todo su potencial y dar forma al panorama de EV, lo que lleva a una innovación continua que reduce los costos, aumentando el rendimiento al tiempo que impulsa al mismo tiempo una mayor demanda global de vehículos eléctricos.