Tesla tarafından kısa bir süre önce ucuz maliyetli yeni nesil araçlarda Silisyum Karbür (SiC) kullanımının %75 oranında azaltılacağı duyurulduğunda SiC'nin EV pazarındaki geleceği sorgulanır hale gelmiştir. SiC, yüksek güç verimliliği, voltaj ve akım kayıplarını azaltma yeteneği ve termal verimliliği artırırken motor boyutunu ve ağırlığını azaltma kapasitesi nedeniyle EV'ler için pratik bir alternatif sunmaktadır.
SiC'nin hızlı büyümesi, bu geniş bant aralıklı malzemenin potansiyelini göstermiş olup SiC pazarının hızla büyümesi için yeni fırsatlar yaratmaya devam etmektedir. Sonuç olarak, yarı iletken üreticileri, beklenen talep artışını karşılamak için kapasite artırımına yönelik önemli yatırımlar yaptılar.
 |
| Silikon Karbür Yonga Plakası (Kaynak : İnfineon) |
SiC, tipik silikon teknolojisine göre yaklaşık 5 kat daha fazla termal iletkenliği, 10 kat daha fazla arıza (breakdown ) voltajı ve 3 kat daha yüksek bant aralığı nedeniyle mühendislere birçok fırsatlar sunar. Fiziksel ve elektriksel özellikleri nedeniyle SiC cihazları, yüksek voltaj, yüksek güç uygulamaları için mükemmel seçimlerdir. Ek olarak, SiC daha yüksek anahtarlama frekanslarında çalışmak için daha uygundur, bu da indüktörler gibi pasiflerin boyutunu düşürmeye yardımcı olur ve güç dönüştürücü (konvertörler) tarzı cihazların ağırlığını büyük ölçüde azaltır. Şekil 1'de bir silisyum karbür levhası (wafer) gösterilmektedir.
STMikroelektronics
ST, Tesla veya diğer otomobil üreticilerinin duyurularına işaret etmekten kaçınmaya dikkat ederken, silisyum karbürün kapasite ve teknoloji geliştirmesine önemli yatırımların yapmış bir firma olarak büyüme beklentilerinde veya geniş bant aralığı stratejisinde herhangi bir değişiklik yapmadığı bilgisini kamuoyuyla paylaşmıştır.
STMicroelectronics (ST) Güç Transistörü Makro Bölümü stratejik pazarlama müdürü Filippo Di Giovanni’nin ifadesiyle : "Birçok otomobil üreticisi ile, kısıtlanmış güç kapasitesi ve azaltılmış performansa sahip pazara dönük yeni nesil bir elektrikli aracın geleceği tartışıldı. Belki de bu, daha yüksek üretim hacimleri ile daha düşük maliyetli pazar segmentlerine hitap etme çabası olarak görülmelidir. Normalde bu araçlar silikon IGBT'lerle çalışır, bu nedenle kısmi bir çözüm olarak bile olsa bu araçlarda SiC kullanma olasılığı, SiC MOSFET'leri üreten ve satan şirketler için iyi bir haber olma özelliği taşıyor çünkü bu tür bir hareket toplam SiC pazarını daha da genişletecektir”
IGBT'ler, şehir arabaları gibi sınırlı menzilli araçlar için envertörlerde iyi performans gösterebilen yaygın güç yarı iletkenleridir. Bununla birlikte, IGBT'ler entegre bir anti-paralel diyottan yoksundur ve bu nedenle ek bir diyot çipi gerektirir. Buna karşılık SiC MOSFET'ler, ek bir doğrultucuya ihtiyaç duymaksızın dahili bir gövde diyotu ile üretilirler.
“"ST'de, hazırlık aşamasında olan yüzden fazla SiC ile ilgili projemiz var ve teknik, satış ve kapasite projeksiyonlarımızla ilgili olarak herhangi bir endişemiz bulunmuyor. Hibrit araçların bile şarj istasyonlarına ve enerji depolama sistemlerine ihtiyaç duyduğunu da belirtmekte fayda var. SiC MOSFET'ler verimlilik açısından bu uygulamalar için hala en iyi seçimdir," diye ekliyor DiGiovanni.
Gelecekte güç elektroniği pazarında SiC'nin hakimiyetine meydan okuyabilecek diğer gelişmekte olan malzemelerle ilgili olarak ST, GaN'yi SiC'nin tamamlayıcısı olarak görüyor. Kart alanını en aza indirmek için indüktörlerin ve kapasitörlerin boyutunu azaltmak maksadıyla daha yüksek frekanslarda anahtarlama yapabilen DC-DC dönüştürücüler ve yerleşik şarj cihazları gibi uygulamalarda kullanılması ciddi ölçüde verimli olabilir.
"800V'a doğru evrilen bara gerilimleri için otomobil üreticilerinin 1200V anahtarlama cihazlarına ihtiyacı var. Bununla birlikte, GaN hala 650V ile sınırlıdır, bu nedenle bu eviricilerde GaN kullanmak yeni çok-seviyeli topolojiler gerektirecektir. Öte yandan, dikey GaN hâlâ gelişmiş Ar-Ge laboratuvarlarıyla sınırlıdır ve halen bu teknolojinin sanayide yaygına hale gelmesinde hâlâ çok uzağız” diyor Di Giovanni.
ONSEMİ
Tesla'nın SiC'yi benimsemesi, söz konusu teknoloji için yüksek düzeyde endüstriyel doğrulama sağlamış oldu . SiC'nin sağladığı performans avantajlarını pekiştirirken aynı zamanda otomotiv uygulamaları için sağlamlık ve güvenilirliğin yeterince iyi olduğunu doğruladı.
Onsemi and Power Solutions Group Otomotiv Cer Çözümleri Başkan Yardımcısı ve Genel Müdürü Bret Zahn, " Onsemi'nin görüşü, silisyum karbürün önümüzdeki yıllarda hızla artmaya devam edeceği yönünde. "Müşterinin belirli bir uygulama için ihtiyaç duyduğu performansa bağlı olarak, SiC veya Si kullanımına duyulan ihtiyaç değişebilmekte. Bu nedenle her iki teknolojiyi de en uygun fiyat noktasında desteklemek önemlidir. Söylemeye gerek bile duymuyorum ama SiC'nin hacmi önümüzdeki yıllarda hızla artmaya devam edecek ve gelecekteki hacimlerin kabaca %75'i otomotiv cer uygulamaları için olacak. Bununla birlikte, IGBT gibi silikon tabanlı güç elektroniği öğelerinin bazı sınırlamaları vardır. IGBT'nin en büyük dezavantajı, ileri yönde iletime geçtiği gerilim (knee-voltage ) nin, ki bu değerin altında cihazın akıttığı akım değeri oldukça düşüktür, yük akım miktarlarının nispeten düşük olduğu hafif yükler altında düşük verimlere sebep olmasıdır. Elektrikli araçlar tipik olarak bu hafif yük koşullarında uzun süre çalışmakta olup, IGBT tabanlı envertörlerle sürülürken standart sürüş profillerinde yüksek kayıplara ve düşük menzile maruz kalmaktadır. Öte yandan SiC MOSFET'ler, düşük akımlarda bile aynı direnç değerine sahip saf dirençler olarak çalışır. Hafif yükler için cihaz verimliliği SiC MOSFET'lerde önemli ölçüde daha yüksektir ve bu da Dünya Uyumlaştırılmış Hafif Araçlar Test Prosedüründe (WLTP) yaklaşık %10 menzil artışı sağlar. IGBT'nin ikincil bir dezavantajı, anahtarlama verimliliğinin daha yüksek pil gerilimlerinde çok daha fazla düşüyor olmasıdır. Pi voltajı 400V'tan 800V'a ve daha yükseğe çıkmaktayken bu durum daha belirgin hale gelir. SiC MOSFET'ler yüksek gerilimlerde verimli anahtarlama sağlamaya devam eder çünkü tek kutuplu (unipolar ) çalışma korunur. Bu eksikliklere rağmen, IGBT'ler Si'nin bipolar iletim ve cazip fiyatı yönünden verimli tam yük/aşırı yük çalışması kriterini sağlar. Bu durum bu öğeleri SiC MOSFET'lerin genel performans başarısının tam olarak değerlendirilmediği düşük güçlü araçlar ve bu araçlarda bulunan yardımcı dingillere yönelik olarak tercih edilen maliyet duyarlı envertörlerde cazip hale getirmektedir. GaN'ın SiC'den bile daha yüksek verimliliğe sahip olan ve kullanımı her gün daha fazla artan bir malzeme olduğunun farkındadır. Ancak, GaN günümüzde yanaldır ve yaklaşık 650V maksimum voltajlarla sınırlıdır. Otomotiv pazarı hızlı şarjı kolaylaştırmak için 800V sistem gerilimine sahip sistemlere doğru ilerlerken, 1200V SiC güç modülleri ideal bir çözüm sunabilmektedir. Bugünkü GaN teknolojisi ile gerilim ve yapısal sınırlamaların üstesinden gelmemize daha uzun yıllar olduğunu tahmin ediyoruz. GaN'ın SiC için zorlu bir rakip olacağı bir gün kesinlikle gelecek," dedi.
Onsemi firmasına göre, piyasaya çok sayıda yeni SiC alt tabaka (substrate) tedarikçisi girdiği için SiC alt tabaka kalitesi çok önemli hale gelmektedir. Firma yetkilisi şöyle sürdürüyor konuşmasını:
"Bu tedarikçilerin çoğunda gördüğümüz sorun, alt tabakalarının kalitesinin düşük olması ve çoğunun çip seviyesinde çok düşük verimle sonuçlanacak ciddi kristal kusurluluğuna sahip olmasıdır. Düşük hacimlerdeki düşük verim, yüksek hacimlerde daha da düşük verime yol açıyor, çünkü en deneyimli SiC alt tabaka tedarikçileri bile düzgün bir kaliteyi korurken ölçeklendirmede zorlanmaya devam ediyor.
OEM'ler, yarı iletken tedarikçileriyle daha güçlü bağlantılara ihtiyaç duyduklarını ve bunları Tier-1 satıcılarına bırakamayacaklarının yeni yeni farkına varıyorlar. Yakın dönemde yaşanan otomotiv sektöründeki yarı iletken chip problemi bu tür ilişkilerin önemini artırıyor. ICE otomobillerden EV'lere geçiş süreci araç yarı iletken donanımında artış gerektiriyor. OEM'ler yarı iletken uzmanlığından yoksundur. Tier-1 bağımlılığının arttığı uzun yıllar boyunca BMW, Mercedes-Benz, VW, Stellantis, GM, Ford ve diğerleri gibi "geleneksel" OEM'ler, şirket içi mühendislik yetkinliklerini, Tier-1 kontratlarını projelendirerek yöneten teknik program yöneticileriyle değiştirdi.
Geleneksel OEM'ler Tesla, Rivian, NIO gibi gelişmekte olan OEM'lerle rekabet edebilmek için kurum içi mühendislik yeteneklerini geliştirmek üzere daha güçlü yarı iletken tedarikçi ortaklıklarına ihtiyaç duymaktadır. Volkswagen, HKMC ve BMW, onsemi'nin en verimli elektrikli araçları tasarlamalarına ve üretmelerine yardımcı olmak için anlaştığı birkaç geleneksel OEM ortağı arasında yer alıyor"
WOLSPEED
Tesla'nın duyurusuna cevaben Wolfspeed yarı iletken firması, bunu düşük maliyetli bir model sunma ve elektrikli araçları herkes için daha erişilebilir hale getirme çabası olarak olumlu görüyor.
Wolfspeed Otomotiv Satışları Başkan Yardımcısı Frank Ferrante:
"Geleceğin bu düşük güçlü araç platformunun silisyum karbürün faydalarını an itibarıyle görüyor olması , işimiz için son derece olumlu ve SiC'nin uzun ömürlülüğüne olan güvenimizi güçlendiriyor" diyor.
IGBT türünde geleneksel silikon tabanlı cihazlar onlarca yıldır güç dönüştürme tarafında yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. IGBT'lerle karşılaştırıldığında SiC güç cihazları %5-15 daha fazla menzil ve buna göre de batarya maliyetlerinde önemli tasarruflar sunar. Ferrante, otomotiv OEM'lerinin performans ve maliyetleri her zaman dengede tuttuğunu başardığını ve gelecekte de bunu yapmaya devam edeceklerini kabul ediyor.
Güç elektroniği pazarında SiC ile rekabet edebilecek yeni yarı iletken teknolojiler ve malzemelerle ilgili olarak Wolfspeed, "GaN'ı tamamlayıcı bir teknoloji olarak görüyor. GaN, düşük güçlerde AC'den DC'ye dönüştürmede son derece faydalıdır ve her yerde daha küçük, daha verimli güç kaynaklarına ihtiyaç vardır." diye ekliyor. Kendisi yine:
"Mesele sadece elektrikli araçlar değil - dünya bugün ürettiğimiz enerjiyi mümkün olduğunca verimli kullanmaya odaklanmış durumda ve Wolfspeed'in ürünlerine ait uygulamaların listesinin her geçen gün daha da büyüdüğünü görüyoruz. Isı pompaları ve servo sürücülerden elektrikli trenlerde görev yapan invertör ve enerji depolama sistemlerine kadar, silisyum karbürün benimsenmesinde olağanüstü bir artışın devam ettiğini görüyoruz. Silisyum Karbür gibi geniş bant aralıklı yarı iletkenler teknolojisine olan talep, sektörümüz için gerçekten de hayatta bir kez karşılaşılabilecek bir fırsattır." diyerek sonlandırıyor konuşmasını.
