Bosch наладил производство силовой электроники из карбида кремния
В декабре 2021 года группа компаний Bosch начала массовое производство силовых полупроводников из карбида кремния (SiC). Это очень хорошая новость для рынка электроники.
Дело в том, что дефицит силовых транзисторов — основная причина глобального сбоя цепочек поставок на мировом рынке. Очередь на производство самых простых микросхем достигла 1 года. От сбоев в цепочках поставок страдают производители автомобилей, компьютерных комплектующих, видеокарт, смартфонов (в том числе Apple) и другой техники, где используются компоненты управления питанием.
Силовые полупроводниковые приборы работают в качестве мощных преобразователей энергии на транспорте, в промышленных установках, системах энергоснабжения и др. Их используют в электроприводах, на подстанциях ЛЭП, мощных радиопередатчиках и т. д.
Несколько лет назад появление транзисторов из карбида кремния (SiC) произвело настоящую революцию на рынке. Это особенно актуально для силовых установок электромобилей, где такая электроника требуется в первую очередь.
Традиционно в конструкции электромобилей использовались кремниевые силовые транзисторы. Долгое время кремний был самым популярным полупроводниковым материалом. У различных материалов различные свойства, которые делают их более подходящими для различных приложений. 
При этом карбид кремния особенно привлекателен для мощных транзисторов благодаря очень широкой запрещённой зоне (на графике слева).
Электроны в полупроводнике находятся в одной из двух энергетических зон — или в валентной зоне, или в зоне проводимости. Чтобы перейти из одной в другую, электрону нужно перепрыгнуть запрещённую зону, в которой электрон не может существовать физически. В кремнии эта зона составляет около 1–1,5 электронвольт (эВ), в то время как в карбиде кремния — порядка 2,3–3,3 эВ. Таким образом, для пробоя требуется гораздо более высокое напряжение. Многие современные электромобили работают с питанием 400 В, а Porsche оснащает свой Taycan системой на 800 В. Высокое напряжение пробоя делает карбид кремния очень подходящим для работы в таких приложениях.
Porsche Taycan: первый в мире автомобиль с системой питания 800 В
Преимущества широкой запрещённой зоны распространяются на любые конструкции. Более высокое напряжение пробоя и более низкое сопротивление при включении означает, что на 1200 В размер матрицы SiC в 20 раз меньше, чем у аналогичной детали из кремния. Меньший размер увеличивает скорость переключения, ещё больше снижая тепловые потери. В конце концов, рабочая температура полупроводников SiC составляет до 200 °C, а не обычные 150 °C у кремния.
До недавнего времени промышленность никак не могла наладить выпуск силовой электроники из карбида кремния, в основном из-за производственных проблем. Только пару лет назад научились выращивать монокристаллы с приемлемым качеством для экономически эффективного производства.
SiC-полупроводники способны выдерживать более высокое напряжение в более компактном корпусе и справляться с большим тепловыделением. Это позволяет уменьшить размеры инвертора для автомобильного двигателя на 70% и снизить требования к охлаждению. Кроме того, благодаря более низкому сопротивлению включения и переключения, меньше энергии расходуется в виде тепла, что повышает энергоэффективность и дальность хода автомобиля.
В инверторе Tesla Model 3 силовая электроника из карбида кремния, что повышает эффективность и снижает требования к охлаждению
Технология также найдёт применение в зарядных устройствах. Детали из SiC позволят создать более компактные зарядные устройства — более быстрая зарядка с меньшими потерями. По мере распространения электромобилей спрос на быстрые зарядные устройства будет стремительно расти, поэтому любой выигрыш в размере и эффективности принесёт свои дивиденды, считают эксперты.
Электроника из карбида кремния появилась на рынке в большом количестве примерно в 2017–2019 годы. Tesla Model 3 стала одним из первых автомобилей с карбидокремниевым инвертором. В нём установлены 24 модуля SiC MOSFET производства ST Microelectronics, которая едва справилась с этим заказом. С тех пор аналогичное оборудование внедрили в модели Model S и Model X Long Range, где карбидокремниевые инверторы помогли увеличить максимальный дальность хода почти до 600 км.
По оценке Bosch, замена кремния на SiC в транзисторах увеличивает дальность хода электромобиля примерно на 6%.
Выпуск силовой электроники изначально начинали в Дрездене, на территории высокотехнологичного хаба, который называют Кремниевой Саксонией, по аналогии с Кремниевой Долиной. Там работают десятки высокотехнологичных компаний, в том числое Bosch.
Кремниевая Саксония
Завод в Дрездене с персоналом 700 человек планировал выпускать карбидо-кремниевые пластины диаметром 300 мм. Но сейчас сообщается, что производство наладили на полупроводниковом заводе в Ройтлингене с пластинами 200 мм.
Пластины из карбида кремния. Фото: Bosch
Другие автопроизводители тоже спешат внедрить SiC. Поэтому начало массового производство силовой электроники Bosch — очень хорошая новость для рынка.
Наверняка в ближайшие годы все автомобили перейдут на силовую электронику из карбида кремния, чтобы получить преимущества по размеру деталей, энергоэффективности и производительности. Кремниевые проводники просто не смогут с ними конкурировать. Их нишей останутся цифровые и низковольтные подсистемы.
В любом случае, дефицит силовой электроники на рынке теперь слегка ослабнет. Если промышленность сможет удовлетворить спрос на базовые компоненты и устранить сбои в логистике, то увеличится выпуск видеокарт, процессоров, смартфонов и другой техники.
