I veicoli ibridi entrano nell'era della SiC

La tecnologia ibrida cinese sfrutta il carburo di silicio per guidare una rivoluzione dell'efficienza

Recentemente, Wuling Motors ha annunciato ufficialmente l'adozione della tecnologia del carburo di silicio (SiC) nei suoi veicoli ibridi.Chery Auto ha anche presentato nuovi sviluppi relativi ai sistemi ibridi basati sul SiCLe principali case automobilistiche cinesi come Geely, Changan, BAIC e Hongqi hanno anche fatto investimenti strategici nello spazio ibrido in carburo di silicio.L'applicazione della tecnologia SiC è diventata un punto di riferimento.

Nei sistemi di azionamento elettrico, l'integrazione dei moduli di potenza SiC combinati con la tecnologia di confezionamento HPDmini ha portato ad un aumento della densità di potenza del 268%, un miglioramento del 70% della capacità di uscita corrente,e un miglioramento del 40% dell'efficienza di dissipazione del calore.

Inoltre, le velocità del motore possono ora raggiungere fino a 24.000 giri al minuto, migliorando significativamente la risposta di potenza e l'efficienza energetica.Il mercato ibrido cinese sta vivendo ora un'ondata di evoluzione tecnologica incentrata sul modello “SiC + Hybrid”, con numerosi costruttori di automobili e fornitori Tier 1 che accelerano le loro implementazioni.

Quali sono le prospettive per il mercato ibrido?

Un numero crescente di casi di applicazione indica che gli aggiornamenti tecnologici e l'espansione su larga scala del mercato ibrido cinese stanno formando un impulso sinergico.Secondo gli ultimi dati del settoreNel 2024, la base installata di sistemi DHT (Dedicated Hybrid Transmission) nel settore dei veicoli ibridi plug-in della Cina ha raggiunto 3,713 milioni di unità, con un aumento del 94,61% su base annua.I sistemi ibridi che adottano un'architettura a doppio motore hanno rappresentato fino a 970,7%, confermando che le soluzioni a doppio motore altamente efficienti e altamente integrate sono diventate la scelta principale.

Questa tendenza tecnologica è strettamente legata al volume installato di unità di controllo elettroniche doppie, che ha raggiunto i 3,628 milioni di unità, con un aumento del 91,99% su base annua.Esso dimostra che le case automobilistiche hanno fatto progressi significativi nelle tecnologie di base quali il disaccoppiamento di potenza e la guida multi-modalità. secondo la2025 Libro bianco sui dispositivi e i moduli a carburo di silicio (SiC) Ricerca industriale, poiché il costo dei dispositivi SiC continua a diminuire, il mercato ibrido dovrebbe entrare in una seconda fase di crescita tra il 2025 e il 2030.

Prodotti di SiC comunemente utilizzati nei veicoli elettrici

1.SiC MOSFET (transistor a effetto di campo di carburo di silicio-ossido metallico-semiconduttore)

Applicazioni:

• Invertitore di trazione principale (invertitore di trazione): Alimenta il motore convertendo l'energia CC ad alta tensione in energia CA a tre fasi.

• Convertitore DC-DC: Stabilizza la tensione della batteria per alimentare i sistemi a bassa tensione.

• Caricabatterie di bordo (OBC): converte l'energia della rete CA in corrente continua per la ricarica delle batterie.

Vantaggi:

• Alta frequenza di commutazione → Migliora l'efficienza del sistema

• Riduce le dimensioni e il peso complessivi del sistema

• Riduce i requisiti di gestione termica

2.SiC SBD (diodo di barriera di carburo di silicio Schottky)

Applicazioni:

• Ampiamente utilizzati nei caricabatterie di bordo (OBC) e nei convertitori DC-DC

• Funzioni di raddrizzatore per migliorare l'efficienza e ridurre le perdite di recupero inverso

Vantaggi:

• Tempo di recupero inverso pari a zero → Adatto alla commutazione ad alta frequenza

• Ottima stabilità termica

3.Moduli di alimentazione a SiC

Applicazioni:

• Integra più componenti SiC (ad esempio, MOSFET + SBD) in un modulo compatto

• Utilizzato nei sistemi di azionamento elettrico, nei controller motori e nei sistemi ad alta tensione

Vantaggi:

• Progettazione compatta adatta ad alta densità di potenza

• Gestione termica ottimizzata e prestazioni di soppressione dell'EMI

Sottostrati di carburo di silicio da 6 e 8 pollici e wafer epitexiali: la spina dorsale dei dispositivi di potenza di nuova generazione

Riassunto del SiC come materiale

Il carburo di silicio è un semiconduttore a banda larga con una banda di 3,26 eV (per 4H-SiC), rispetto a 1,12 eV per il silicio.

• Campo elettrico critico elevato (~ 10 volte superiore al silicio)

• Alta conduttività termica (~ 3 volte superiore al silicio)

• Alta tensione di rottura

• Alta velocità di saturazione elettronica

Queste proprietà rendono il SiC particolarmente adatto per applicazioni ad alta potenza, ad alta frequenza e ad alta temperatura.Il SiC può funzionare a tensioni e temperature più elevate riducendo le perdite di energia, che è fondamentale per l'efficienza di conversione di potenza.

Sottostati di SiC: la base

Struttura cristallina e politipi

Il SiC esiste in molti politipi, ma il 4H-SiC è il materiale preferito per l'elettronica di potenza a causa della sua maggiore mobilità elettronica e ampia banda.Il substrato è tipicamente un wafer monocristallino tagliato da una sfera di SiC in massa coltivata con metodi di trasporto fisico di vapore (PVT).

Produzione di substrati di SiC

Il processo di produzione comprende:

1. Crescita cristallinaL'utilizzo di PVT o di metodi Lely modificati sublima la polvere di SiC di alta purezza e la ricristallizza in un cristallo di semi ad alta temperatura (~ 2000°C) e a bassa pressione.

2. Taglio di wafer¢ La boule cresciuta viene tagliata con precisione in cialde (2", 4", 6" o 8").

3. Lappatura e lucidaturaI wafer vengono macinati, lappati e lucidati per ottenere superfici ultrapiatte con difetti minimi.

4. IspezioneI substrati vengono ispezionati per la presenza di lussazioni, micropipe, lussazioni del piano basale (BPD) e altri difetti cristallini.

Parametri chiave

• Diametro:2", 4", 6" e emergenti 8" (200 mm)

• Angolo fuori asse:4° tipico per il 4H-SiC per migliorare la crescita epitaxiale

• Finitura superficiale:CMP lucidato (epiready)

• Resistenza:Conduttore o semisolatore, a seconda del doping (tipo N, tipo P o intrinseco)

Wafer epitexiali SiC: progettazione di dispositivi abilitanti

Che cos'è una wafer epitaxial?

UnWafer epitassialeè costituito da uno strato sottile di SiC dopato coltivato su un substrato di SiC lucido. Lo strato epitassale è progettato con profili elettrici e di spessore specifici per soddisfare le esigenze esatte dei dispositivi di potenza.

Tecniche di crescita epitaxiale

La tecnica più comune èDeposizione chimica a vapore (CVD)Permette un controllo preciso di:

• Spessore dello strato(di solito da pochi a decine di micrometri)

• Concentrazione di doping(da 1015 a 1019 cm−3)

• Uniformitàsu grandi superfici di wafer

I gas come il silano (SiH4) e il propano (C3H8) sono utilizzati come precursori, insieme all'azoto per il doping di tipo n o all'alluminio per il doping di tipo p.

Progettazione orientata alle applicazioni

• MOSFET:Richiedere strati di deriva a basso doping (5 ¢15 μm) per elevate tensioni di blocco

• SBD:Richiedere strati epitaxiali più poco profondi con doping controllato per un basso calo di tensione in avanti

• JFET/IGBT:Strutture di strati personalizzate per comportamenti specifici di accensione e di commutazione

Vantaggi dei substrati e dei depositori di SiC

Questi vantaggi contribuiscono direttamente alla riduzione delle dimensioni, del peso e del costo dei sistemi di conversione di energia nei veicoli elettrici, nei caricabatterie, negli inverter solari e negli azionamenti industriali.

Sfide e tendenze del settore

Sfide

• Controllo dei difetti:Le lussazioni del piano basale (BPD), i micropipes e i difetti di impilazione influenzano la resa del dispositivo.

• Costo dei wafer:I substrati di SiC sono significativamente più costosi del Si, a causa del tempo di crescita, della resa e della complessità.

• Scalabilità:I wafer da 6 pollici sono ormai diffusi, ma la produzione di wafer da 8 pollici è ancora in fase di ricerca e sviluppo e in fase pilota.

Tendenze

• Migrazione a wafer da 8 polliciper ridurre il costo per chip

• Miglioramento della qualità del substratomediante tecniche di riduzione dei difetti

• Integrazione verticaleda parte dei produttori per controllare l'intera catena del valore dal substrato al dispositivo confezionato

• Rapida crescita della domandaguidati dai mercati dell'automotive (EV) e delle energie rinnovabili

Conclusioni

I substrati di carburo di silicio e le wafer epitaxiali rappresentano il nucleo dell'elettronica di potenza di nuova generazione.applicazioni ad alta affidabilitàMentre il mondo si muove verso l'elettrificazione e la neutralità delle emissioni di carbonio, la domanda di wafer SiC continuerà a crescere, guidando l'innovazione e l'espansione delle capacità in tutto il settore.

Che siate produttori di dispositivi semiconduttori, sviluppatori di veicoli elettrici o integratori di sistemi di alimentazione,comprendere e scegliere i giusti substrati e epilieri SiC è un passo fondamentale per raggiungere prestazioni e successo commerciale.