Защо чиповете от силициев карбид са „осъдени на щастие“ ?
Чиповете за електрически транспортни средства от силициев карбид са подготвени за „ стремглаво “ развиване а производителите на коли и доставчиците харчат милиарди, с цел да обезпечат доставки на материала, който дава обещание по-бързо зареждане и огромна успеваемост спрямо чистия силиций.
Силициевият карбид е открит инцидентно през 1891 година от откривател, който се надява да направи синтетични диаманти, бързо се трансформира в извънредно значим за електрическите автомобили, а най-големите международни снабдители влагат милиарди, с цел да могат да изпълнят предстоящата вълна от поръчки за инвертори за електрически автомобили от производителите на коли.
Чиповете, направени от силициев карбид или SiC – един от най-твърдите материали в света след диамантите – са в основата на новото потомство инвертори, които са сериозната връзка сред непрекъснатия ток от батериите и изменчивия ток, употребен от електрическите мотори.
Чиповете от силициев карбид за инвертори оферират редица преимущества пред тези на силициева основа. Те са доста по-стабилни при по-високи напрежения (800 волта и повече), което разрешава по-бързо зареждане.
Използват по-малко количество материал, което икономисва място и тегло. Могат да работят при по-високи температури, което понижава нуждата от скъпоструващо ръководство на топлинните процеси.
Имат до 70% по-малко загуби при превключване или превръщане, както и по-бързи честоти на превключване, което евентуално удължава пробега с към 5 до 6%, настояват специалисти от промишлеността.
„ При силициевия карбид в съпоставяне със силиция можете да подобрите успеваемостта си със забележителен коефициент “, съобщи основният изпълнителен шеф на BorgWarner Фредерик Лисалде пред Automotive News Europe.
BorgWarner влага 500 млн. $ в американската компания Wolfspeed в договорка, която ще разреши на доставчика да купува чипове от силициев карбид на стойност до 650 млн. $ годишно.
„ Благодарение на всички преимущества на технологията, пазарното търсене на устройства, основани на силициев карбид, ще се форсира с стремглава скорост през идващите години “, съобщи в изявление Клаудио Витори от S&P Global Mobility. Това е „ тревожно от позиция на търсенето и предлагането “, добави той.
Според данните на S&P инверторите, основани на силициев карбид, ще преобладават до 2034 година, като размерът им ще нараства с 32% годишно. Витори сподели, че те ще се появят първо в премиум и първокласни коли с 800-волтови електрически системи, а по-късно ще се разпространят до всеобщите модели с по-нисковолтови системи.
Освен в инверторите, SiC чиповете ще се употребяват и в бордовите зарядни устройства и DC-to-DC преобразувателите, добави той.
Визуализация на планувания цех за произвеждане на чипове от силициев карбид на ZF-Wolfspeed, който ще бъде издигнат в немския район Саарланд.
Засилва се сключването на покупко-продажби за обезпечаване на доставки
ZF отива още по-далеч от BorgWarner, като става сътрудник на Wolfspeed в „ фабрика за пластини “ на стойност 3 милиарда $, която ще създава 200-милиметрови пластини от силициев карбид, както и ще има център за научноизследователска и развойна активност в немския район Саарланд.
„ Силициевият карбид е отговорът на някои от най-големите проблеми на нашето време: пестенето на сила и изменението на климата “, съобщи Грег Лоу, основен изпълнителен шеф на Wolfspeed, през април при оповестяването на фабриката дружно с представители на ZF и Германия.
„ С полупроводниците, направени от силициев карбид, електрическите коли могат да стигат по-далеч и да се зареждат по-бързо, което спомага за ускорение на прехода от бензинови коли към напълно електрически транспортни средства. “
През декември Лоу съобщи пред „ Файненшъл таймс “, че пазарът на силови полупроводници от SiC може да нараства с 14% годишно до 2030 година „ Всички ние ще тичаме колкото се може по-бързо, пробвайки се да наваксаме с търсенето “, сподели той.
ZF също по този начин е подписала съглашение със STMicroelectronics за силициевокарбидни чипове за своите инвертори от 2025 година – с размер на поръчките в „ десетки милиони “, обявиха фирмите през април.
„ С помощта на силициевия карбид можем да усъвършенстваме системата с 5 %, а това е нещо много значимо за електрическата подвижност “, съобщи за Automotive News Europe Отмар Шарер, началник на инженерния отдел за електрифицирани задвижвания в ZF.
Infineon и Stellantis подписаха меморандум за съгласие през септември предходната година, в който немският производител на чипове ще резервира производството на SiC през втората половина на десетилетието за личните снабдители на автомобилния производител, в договорка на стойност над 1 милиарда евро.
Сред значимите скорошни покупко-продажби, през април Robert Bosch купи TSI, основан в Калифорния производител на чипове от силициев карбид, и съобщи, че ще влага 1,5 милиарда $ в модернизирането на фабриката на TSI, с цел да създава SiC чипове за електрически транспортни средства до 2026 година
На 19 юни Vitesco съобщи, че е подписала с Rohm партньорство за доставка на силициев карбид до 2030 година на стойност над 1 милиарда $ за чипове за своите инвертори, като серийното произвеждане ще стартира през 2024 година за „ два значими клиента “.
През януари Volkswagen Group подписа стратегическо съглашение с американската софтуерна компания Onsemi за даване на модули от силициев карбид и полупроводници за инвертори за идващото потомство платформи за електрически транспортни средства на VW.
В края на май Onsemi също по този начин реализира значима победа с 10-годишен контракт за 1,9 милиарда $ с Vitesco за доставка на артикули въз основата на силициев карбид; като част от съглашението Vitesco ще влага 250 млн. $ за подсилване на индустриалните мощности на Onsemi за SiC.
Плочи от силициев карбид в завода за полупроводници на Bosch в Ройтлинген, Германия. Доставчикът похарчи 1,5 милиарда $, с цел да придобие TSI, амерканска компания експерт в региона на силициевия карбид.
КАК съдебна експертиза ПРОИЗВЕЖДА СИЛИЦИЕВ КАРБИД
Силициевият карбид нормално се създава по така наречен развой на Ачесън, по името на американския откривател, който открива материала инцидентно (и по-късно го патентова като карборунд) през 1891 година по време на опит за основаване на синтетичен елмаз.
Силициевият пясък и въглеродът се нагряват при температури до 2 500 градуса по Целзий в продължение на четири седмици – към половината от температурата на повърхността на слънцето и интензивно енергоемък развой – вследствие на което се получава „ покривало “ от няколко кг.
След това „ булото “ се преработва на пластини, които могат да се употребяват в полупроводниците. Пластините от силициев карбид обаче са склонни към недостатъци, които могат да ги създадат неизползваеми, настояват специалисти.
Пазар за 4 милиарда $
„ Силовите полупроводници от силициев карбид са при започване на огромен растеж в търсенето “, съобщи в изказване основният изпълнителен шеф на Vitesco Андреас Волф. „ За нас е значимо да получим достъп до цялата верига за основаване на стойност на SiC. С тази инвестиция имаме сигурни доставки на основна технология през идващите 10 години и по-късно. “
Пазарът на полупроводници от силициев карбид в автомобилостроенето се чака да възлиза на повече от 4 милиарда $ годишно до 2027 година, съгласно отчет на Yole Group. Като % от пазара по отношение на силиция, силициевият карбид ще нарасне от 20 % през 2021 година до над 50 % до 2030 година, пресмята S&P.
Очевидно е, че силициевият карбид е бъдещето освен за инверторите, само че и за приложения, в това число за транспорт на сила от транспортни средства към мрежата. Но материалът има и някои дефекти.
Тъй като той би трябвало да се генерира синтетично от силиций и въглерод – макар че е открит в астероиди – той изисква рискови температури, достигащи до 2500 градуса по Целзий, и налягания, а оттова и големи енергийни разноски. А получените пластини могат да бъдат дефектни.
Tesla Model 3 (на снимката) е първият сериен автомобил, в който се употребява инвертор от силициев карбид, през 2018 година
Както и при доста други нововъведения в региона на електрическите автомобили, Tesla беше пионер в потреблението на чипове от силициев карбид в своите коли, като стартира през 2018 година в Model 3.
Най-новите EV на Hyundai и Kia на тяхната платформа E-GMP, в това число Kia EV6 и Hyundai Ionic 5 и 6, също употребяват инвертори от силициев карбид, както и Porsche Taycan и Audi E-tron GT и първокласния EV Air на Lucid.
Електрическият SUV Lotus Eletre на марката Geely също има инвертор SiC, както и Maserati GranTurismo Folgore и идния MC20 Folgore. С изключение на Tesla, всички тези коли имат и 800-волтови системи.
Наскоро и други автомобилни производители оповестиха съглашения с водещи снабдители на SiC чипове. Бъдещите електрически коли Mercedes-Benz ще употребяват SiC чипове Wolfspeed, оповестиха фирмите през януари. BMW ще употребява чипове на Onsemi. JLR ще си партнира с Wolfspeed. Renault-Nissan ще работи със STMicroelectronics.
Асоциираният снабдител на Toyota, Denso, самичък основава чиповете за груповите електрически автомобили, в това число за новия Lexus RZ.
Цената на чиповете от силициев карбид – до пет пъти по-висока от тази на силиция – както и компликацията да се подсигуряват задоволителни и качествени доставки на пластини, карат някои компании да премислят метода, по който употребяват материала.
В едно от най-провокативните изявления Колин Кембъл, началник на инженерния екип на Tesla, съобщи през март, че автомобилният производител ще понижи потреблението на SiC със 75 % в идната си платформа за задвижване, без да изясни по какъв начин, като част от общото понижаване на разноските с 1000 USD на единица.
„ Силициевият карбид е необикновен полупроводник, само че също по този начин е безценен и е мъчно да се мащабира “, сподели Кембъл. „ Така че потреблението на по-малко количество от него е огромна победа за нас. “
Maserati GranTurismo Folgore EV има инвертор от силициев карбид, както и идният електрически суперавтомобил MC20 Folgore.
Бъдещи насоки
Цените на акциите на огромните играчи на пазара на силициев карбид спаднаха след известието на Кембъл (но по-късно се възстановиха). Въпреки това, други също мислят за способи за понижаване на използването му, без да вършат компромис с продуктивността.
Soitec, френска компания за полупроводници, чиито конструирани субстрати станаха съвсем навсякъде употребявани в радиочестотните чипове за смарт телефони, създава способ, наименуван SmartSIC, който може да получи от 10 до 15 пъти повече материал за чипове от една пластинка силициев карбид.
Процесът SmartCut на Soitec – представете си го като атомен нож – извлича тънък пласт монокристален силициев карбид от така наречен донорна пластина, която по-късно се свързва с поликристална пластина от силициев карбид със свръхниско противодействие. След това донорната пластина може да се употребява 10 пъти, споделя Емануел Сабонадиер, вицепрезидент на автомобилната и индустриалната индустрия в Soitec.
Процесът SmartSIC може да спести 4 000 тона CO2 на всеки 100 000 пластини, споделя Сабонадиер.
По думите му създадените свойства на субстрата го вършат по-ефективен, което в последна сметка води до по-ефективни чипове и инвертори за електрически автомобили. „ Производителите на коли могат да понижат размера на инверторите си и да понижат потребността от топлинен мениджмънт “, сподели той.
Soitec си партнира със STMicroelectronics за квалифициране на системата, както и за диалози с производители на коли и снабдители от първи ред за комерсиално внедряване. Сабонадиер съобщи, че чака процесът на подготовка да завърши до края на 2024 година „ Има огромен интерес от страна на производителите на коли, даже и да сме надалеч един от различен във веригата на доставки “, сподели той.
Една от фирмите, които водят диалози със Soitec, е Volkswagen Group, която се стреми да интегрира отвесно веригата си за основаване на стойност за електрически транспортни средства, в това число да създава лични акумулатори със своето звено PowerCo и да проектира лични инвертори за потребление в бъдещите електрически транспортни средства с архитектура PPE.
Чиповете от силициев карбид ще бъдат неразделна част от продуктивността и цената на тези инвертори, споделя Бертолд Хелентал, стратегически управител по полупроводници в Audi, който взе участие и в цялостната тактика за планиране на полупроводници на VW Group.
„ Решихме, че всичко в задвижването [на електромобила] ще бъде в наши ръце “, сподели той. „ И с цел да имаме положително симбиотично показване на системата, инверторът е от основно значение. Той свързва батерията с електронното задвижване – и точно тук се случва магията. „ Чиповете от силициев карбид може да са по-скъпи от силициевите, само че те могат да доведат до икономии в други области, сподели Хелентал.
„ Силициевият карбид може да направи транспортните средства по-достъпни, тъй като можете или да получите по-голям пробег от същия размер на батерията, или да употребявате по-малко батерийни кафези “, сподели той. „ Можете да спестите и от охлаждането – въпросът е по какъв начин желаете да го изиграете. “
Дирк Вализер, началник на отдела за научноизследователска и развойна активност в ZF, споделя, че цените ще се намалят с увеличение на мащаба и с развиването на опита на фирмите в региона на материала.
„ Сега, когато знаем по какъв начин да работим със SiC, преимуществото на силиция като артикул за всеобщо произвеждане отпада “, споделя той пред Automotive News Europe.
„ С идването на толкоз доста нови електрически коли размерът на производството на силициев карбид се усили, тъй че мащабът е налице, с цел да се изплатят вложенията. “
