Veículos híbridos entram na era da SiC

A tecnologia híbrida da China está aproveitando o carburo de silício para impulsionar uma revolução de eficiência

Recentemente, a Wuling Motors anunciou oficialmente a adoção da tecnologia de carburo de silício (SiC) em seus veículos híbridos.A Chery Auto também revelou novos desenvolvimentos relacionados a sistemas híbridos baseados em SiCAs principais fabricantes chinesas de automóveis, como Geely, Changan, BAIC e Hongqi, também fizeram investimentos estratégicos no espaço híbrido de carburo de silício.A aplicação da tecnologia SiC tornou-se um dos principais destaques.

Nos sistemas de accionamento eléctrico, a integração de módulos de potência de SiC ◄ combinados com a tecnologia de embalagem HPDmini ◄ resultou num aumento de 268% da densidade de potência, uma melhoria de 70% da capacidade de saída actual,e uma melhoria de 40% na eficiência de dissipação de calor.

Além disso, as velocidades do motor podem agora atingir até 24.000 rpm, melhorando significativamente a resposta de potência e a eficiência energética.O mercado híbrido da China está agora a experimentar uma onda de evolução tecnológica centrada no modelo “SiC + Hybrid”, com numerosos fabricantes de automóveis e fornecedores de nível 1 acelerando a sua implantação.

Qual é a perspectiva para o mercado híbrido?

Um número crescente de casos de aplicação indica que as melhorias tecnológicas e a expansão em larga escala no mercado híbrido da China estão a formar um ímpeto sinérgico.De acordo com os últimos dados da indústria, em 2024, a base instalada de sistemas DHT (Dedicated Hybrid Transmission) no setor de veículos híbridos plug-in da China atingiu 3,713 milhões de unidades, aumentando 94,61% em relação ao ano anterior.Os sistemas híbridos que adotam uma arquitetura de dois motores representaram até 97%.0,7%, confirmando que as soluções de dois motores altamente eficientes e altamente integradas tornaram-se a escolha dominante.

Esta tendência tecnológica está estreitamente ligada ao volume instalado de unidades de controlo eletrónico duplo, que atingiu 3,628 milhões de unidades, um aumento de 91,99% em relação ao ano anterior.Demonstra que os fabricantes de automóveis fizeram progressos significativos em tecnologias essenciais, como a separação de potência e a condução multimodoDe acordo com o2025 Livro Branco sobre dispositivos e módulos de carburo de silício (SiC), à medida que o custo dos dispositivos SiC continua a diminuir, espera-se que o mercado híbrido entre em uma segunda fase de crescimento entre 2025 e 2030.

Produtos de SiC comumente utilizados em veículos elétricos

1.MOSFET SiC (trânsistor de efeito de campo de óxido de carburo de silício metálico-semicondutor)

Aplicações:

• Inversor de ação principal (inversor de tração): Alimenta o motor convertendo a potência de alta tensão de CC em potência de CA de três fases.

• Conversor DC-DC: Estabiliza a tensão da bateria para alimentar sistemas de baixa tensão.

• Carregador de bordo (OBC): converte a energia da rede AC em energia CC para carregamento de baterias.

Vantagens:

• Alta frequência de comutação → Melhora a eficiência do sistema

• Reduz o tamanho e o peso do sistema global

• Reduz os requisitos de gestão térmica

2.SiC SBD (diodo de barreira de carburo de silício Schottky)

Aplicações:

• Amplamente utilizado em carregadores de bordo (OBC) e conversores DC-DC

• Funções como retificador para melhorar a eficiência e reduzir as perdas de recuperação inversa

Vantagens:

• Tempo de recuperação inverso zero → Adequado para comutação de alta frequência

• Excelente estabilidade térmica

3.Modulos de potência de SiC

Aplicações:

• Integra vários componentes SiC (por exemplo, MOSFETs + SBDs) em um módulo compacto

• Utilizado em sistemas de propulsão elétrica, controladores de motores e sistemas de alta tensão

Vantagens:

• Projeto compacto adequado para alta densidade de potência

• Gestão térmica e desempenho de supressão de EMI otimizados

Substratos de carburo de silício de 6 e 8 polegadas e wafers epitaxial: a espinha dorsal dos dispositivos de energia de próxima geração

Resumo do SiC como material

O carburo de silício é um semicondutor de banda larga com uma banda de 3,26 eV (para 4H-SiC), em comparação com 1,12 eV para o silício.

• Campo elétrico crítico elevado (~ 10 vezes superior ao do silício)

• Alta condutividade térmica (~ 3 vezes superior ao silício)

• Alta tensão de ruptura

• Alta velocidade de saturação de elétrons

Estas propriedades tornam o SiC especialmente adequado para aplicações de alta potência, alta frequência e alta temperatura.O SiC pode operar a tensões e temperaturas mais elevadas, reduzindo as perdas de energia, que é fundamental para a eficiência de conversão de potência.

Substratos de SiC: A base

Estrutura cristalina e politipos

O SiC existe em muitos politipos, mas o 4H-SiC é o material preferido para eletrônicos de potência devido à sua maior mobilidade eletrônica e ampla faixa de frequência.O substrato é tipicamente uma bola monocristalina cortada a partir de uma bola de SiC a granel cultivada por métodos de transporte físico de vapor (PVT).

Produção de substratos de SiC

O processo de produção envolve:

1. Crescimento Cristalino¢ Utilizando PVT ou métodos Lely modificados, o pó de SiC de alta pureza é sublimado e recristalizado num cristal de semente sob alta temperatura (~ 2000°C) e baixa pressão.

2. Cortar a bolachaA bola crescida é cortada com precisão em wafers (2", 4", 6", ou 8").

3. Limpeza e polirOs wafers são moídos, lapados e polidos para obter superfícies ultraplanas com defeitos mínimos.

4. InspecçãoOs substratos são inspecionados em busca de deslocamentos, micropipes, deslocamentos no plano basal (BPDs) e outros defeitos cristalinos.

Parâmetros-chave

• Diâmetro:2", 4", 6" e emergentes 8" (200 mm)

• Ângulo fora do eixo:4° típico do 4H-SiC para melhorar o crescimento epitaxial

• Revestimento da superfície:CMP polido (epireado)

• Resistividade:Condutor ou semi-isolador, consoante o doping (tipo N, tipo P ou intrínseco)

Wafers epitaxial SiC: permitindo o design do dispositivo

O que é uma bolacha epitaxial?

UmWafer epitaxialÉ constituída por uma camada fina de SiC dopada cultivada num substrato polido de SiC. A camada epitaxial é concebida com perfis elétricos e de espessura específicos para satisfazer os requisitos exatos dos dispositivos de potência.

Técnicas de crescimento epitaxial

A técnica mais comum éDeposição química de vapor (CVD)Permite um controlo preciso de:

• Espessura da camada(normalmente de alguns a dezenas de micrómetros)

• Concentração de doping(de 1015 a 1019 cm−3)

• Uniformidadeatravés de grandes áreas de wafer

Gases como silano (SiH4) e propano (C3H8) são utilizados como precursores, juntamente com nitrogênio para dopagem de tipo n ou alumínio para dopagem de tipo p.

Projeto orientado para aplicações

• MOSFETs:Exigir camadas de deriva de baixa dopagem (515 μm) para alta tensão de bloqueio

• DBS:Exigir camadas epitaxiais mais rasas com dopagem controlada para baixa queda de tensão para a frente

• JFET/IGBT:Estruturas de camadas personalizadas para comportamento específico de resistência e comutação

Vantagens dos substratos de SiC e dos epilareiros

Estas vantagens contribuem diretamente para reduzir o tamanho, o peso e o custo dos sistemas de conversão de energia em veículos elétricos, carregadores, inversores solares e motores industriais.

Desafios e tendências do sector

Desafios

• Controle de defeitos:Dislocações do plano basal (BPDs), micropipes e falhas de empilhamento afetam o rendimento do dispositivo.

• Custo da bolacha:Os substratos de SiC são significativamente mais caros do que o Si, devido ao tempo de crescimento, ao rendimento e à complexidade.

• Escalabilidade:Os wafers de 6 polegadas são comuns, mas a produção de wafers de 8 polegadas permanece em fase de P&D e piloto.

Tendências

• Migração para wafers de 8 polegadaspara reduzir o custo por chip

• Melhoria da qualidade do substratoatravés de técnicas de redução de defeitos

• Integração verticalpelos fabricantes para controlar toda a cadeia de valor do substrato ao dispositivo embalado

• Rapido crescimento da procuraimpulsionado pelos mercados automotivos (EV) e de energias renováveis

Conclusão

Os substratos de carburo de silício e as placas epitaxial representam o núcleo da próxima geração de eletrónica de potência.Aplicações de alta fiabilidadeÀ medida que o mundo passa para a eletrificação e neutralidade de carbono, a demanda por wafers de SiC continuará a aumentar, impulsionando a inovação e a expansão da capacidade em toda a indústria.

Quer seja um fabricante de dispositivos de semicondutores, desenvolvedor de veículos elétricos, ou integrador de sistemas de energia,compreender e escolher os substratos e as camadas de epilhares de SiC certos é um passo crítico para alcançar o desempenho e o sucesso comercial.