Bosch стартира производството на силова електроника от силициев карбид

В началото на този месец Bosch стартира серийното производство на силови полупроводникови компоненти от силициев карбид (SiC). Това е една много добра новина за пазара на различни електронни устройства.

Работата е в това, че тоталният дефицит на силови транзистори е една от основните причини за глобалния срив на доставките в целия свят. На компаниите производители вече се налага да чакат цяла една година, за да получат дори и най-опростените чипове. От сривовете в логистиката проблеми възникват не само при автомобилните производители, но и при производителите на различните компютърни модули, видеокарти, смартфони (включително и тези на Apple), както и всякаква друга техника, в която се използват полупроводникови компоненти за управление на захранването.

Силовите полупроводникови компоненти се използват при мощните преобразователи на електрическата енергия в автомобилния транспорт, в различните промишлени инсталации, в системите за снабдяване с електрическа енергия и още много други. Използват се и при мощните електрически задвижвания, в подстанциите за електропреносните линии, в мощните радиопредаватели и т.н.

Силициевият карбид

Преди няколко години появата на транзистори от силициев карбид (SiC) осъществи истинска революция на пазара. Това е особено актуално за силовите модули в електромобилите, където е необходима именно такава електроника.

Традиционно в конструкцията на електромобилите преди време се използваха силициеви силови транзистори. Силицият отдавна е най-разпространеният и популярен полупроводников материал. Различните материали имат различни свойства, които ги правят по-подходящи за прилагане в една или друга област. Но силициевият карбид е особено подходящ за производството на мощни транзистори благодарение на много широката си забранена зона.

Електроните в полупроводниците се намират в една от двете енергийни зони – валентната зона или в зоната на проводимостта. За да премине от едната зона към другата електронът трябва да прескочи забранената зона, в която не може да съществува физически. При силиция в забранената зона е около 1-1,5 електронволта, докато в силициевия карбид тя е в границите на 2,3-3,3 електронволта.

По този начин, за възникването на пробив е необходимо много по-високо напрежение. Редица съвременни електромобили работят със захранване от 400 V, а Porsche използва в своя Taycan електронна система с работно напрежение 800 V. Поради високото напрежение на пробив силициевият карбид е много подходящ за работа в подобни условия.

Преимуществото на широката забранена зона е важна за всякакви електронни устройства.

По-високото напрежение на пробив и по-ниското съпротивление на отпушения транзистор означават, че при работа с напрежение от 1200 V размерът на SiC матрицата е 20 пъти по-малък в сравнение със същия компонент, в който се използва само силиций. По-малкият размер увеличава скоростта на сработване, с което още повече се намаляват топлинните загуби.

Съвсем доскоро полупроводниковата промишленост не можеше да намери начин за производство на силова електроника от силициев карбид, най-вече заради производствени проблеми. Едва преди две години компаниите разбраха как могат да създават монокристали с приемливо качество за едно икономически ефективно производство.

SiC полупроводниците издържат много по-високо напрежение при много по-компактни размери и много добре се справят с отделянето на топлината. Това дава възможност за сериозно намаляване на размерите на инвертора за двигателя на електромобила – до 70%, като едновременно с това изискванията към охлаждането са по-малки. Освен това, поради по-ниското съпротивление на отпушения транзистор и по-бързото преминаване от запушено в отпушено състояние и обратно, много по-малко енергия се преобразува в топлина, което повишава енергийната ефективност и пробега на електромобила.

Технологията е много подходяща за използване и в зарядните устройства. SiC компонентите дават възможност за създаването на много по-компактни зарядни устройства, които осигуряват по-бързо зареждане с по-малки загуби. С постепенното разпространяване на електромобилите търсенето на бързи зарядни станции стремително ще нарасне и всяка печалба от гледна точка на размера и ефективността ще донесе богати дивиденти.

Електрониката от силициев карбид започна да се появява някъде към 2017-2019 години. Tesla Model 3 бе един от първите електромобили с инвертор, в който се използват полупроводникови компоненти от силициев карбид. В този инвертор се използват 24 SiC MOSFET компонента, произвеждани от компанията ST Microelectronics, която едва успя да се справи с тази мащабна поръчка. След това същата силова електроника започна да се използва и в електрическия автомобил Model S, както и в Model X Long Range, в които инверторите от силициев карбид дадоха възможност пробегът да бъде увеличен почти до 600 км с едно зареждане.

Според Bosch, замяната на силиция със силициев карбид в транзисторите увеличава пробега на автомобилите средно с 6%,

Производството на Bosch

Bosch започна производството на силова електроника първоначало в Дрезден, на територията на високотехнологичния хъб, което е прието да се нарича Силициевата Саксония, което е своеобразен аналог на Силициевата долина. Там работят десетки високотехнологични компании, включително и Bosch.

Заводът в Дрезден има персонал от 700 души и възнамеряваше да произвежда плочи от силициев карбид с диаметър 300 милиметра. Но сега излезе информация, че техният диаметър ще бъде 200 милиметра.

Останалите автомобилни производители също бързат да започнат да използват SiC. Може да се каже, че масовото производство на силова електроника, базирана на силициев карбид, от страна на Bosch, е една много добра новина за пазара.