Por qué el carburo de silicio llevará el rendimiento de los vehículos eléctricos al siguiente nivel

Jun 08, 2023

El Porsche Taycan fue uno de los primeros vehículos eléctricos en utilizar un inversor basado en carburo de silicio y un sistema eléctrico de 800 voltios, después del Tesla Model 3.

El carburo de silicio, un material antiguo descubierto por accidente en 1891 por un inventor que esperaba fabricar diamantes sintéticos, se está volviendo rápidamente crítico para los vehículos eléctricos, y los proveedores más grandes del mundo están invirtiendo miles de millones para asegurarse de poder cumplir con una ola anticipada de pedidos de inversores para vehículos eléctricos por parte de los fabricantes de automóviles. .

Los chips fabricados con carburo de silicio, o SiC, uno de los materiales más duros del mundo después del diamante, están en el corazón de una nueva generación de inversores, el vínculo crítico entre la corriente continua de las baterías y la corriente alterna utilizada por los motores eléctricos.

Los chips de carburo de silicio para inversores ofrecen una serie de ventajas sobre los basados ​​en silicio.

"Con el carburo de silicio en comparación con el silicio, puede mejorar su eficiencia en un factor significativo", dijo el director ejecutivo de BorgWarner, Frederic Lissalde, a Automotive News Europe. BorgWarner ha invertido 500 millones de dólares en la empresa estadounidense Wolfspeed en un acuerdo que permitirá al proveedor comprar hasta 650 millones de dólares en chips de carburo de silicio al año.

"Debido a todas las ventajas de la tecnología, la demanda del mercado de dispositivos basados ​​en carburo de silicio se acelerará a una velocidad vertiginosa en los próximos años", dijo en una entrevista Claudio Vittori de S&P Global Mobility. Esto es "preocupante desde el punto de vista de la oferta y la demanda", añadió.

Según las cifras de S&P, los inversores basados ​​en carburo de silicio serán dominantes en 2034, con un volumen que crecerá a un ritmo anual del 32 por ciento. Vittori dijo que aparecerán primero en autos premium y de lujo con sistemas eléctricos de 800 voltios, y luego llegarán a los modelos convencionales con sistemas de menor voltaje.

Además de los inversores, los chips de SiC también se utilizarán en cargadores de a bordo y convertidores de CC a CC, añadió.

Una representación de una fábrica de chips de carburo de silicio ZF-Wolfspeed que se construirá en la región alemana del Sarre.

ZF va incluso más lejos que BorgWarner, convirtiéndose en socio de Wolfspeed en una “fábrica de obleas” de 3.000 millones de dólares que fabricará obleas de carburo de silicio de 200 mm y tendrá un centro de I+D en la región alemana del Sarre.

"El carburo de silicio es la respuesta a algunos de los mayores problemas de nuestro tiempo: el ahorro de energía y el cambio climático", dijo Gregg Lowe, director ejecutivo de Wolfspeed, en abril en el anuncio de la fábrica con ZF y funcionarios alemanes. "Con semiconductores hechos de carburo de silicio, los coches eléctricos pueden llegar más lejos y cargarse más rápido, lo que ayuda a acelerar la transición de los automóviles de gasolina a los vehículos totalmente eléctricos".

Lowe dijo a The Financial Times en diciembre que el mercado de semiconductores de potencia de SiC podría crecer un 14 por ciento anual hasta 2030. "Todos nosotros correremos lo más rápido que podamos, tratando de alcanzar la demanda", dijo.

ZF también firmó un acuerdo con STMicroelectronics para chips de carburo de silicio para sus inversores a partir de 2025, con un volumen de pedidos de "millones de dos dígitos", dijeron las compañías en abril.

"Con la ayuda del carburo de silicio, podemos optimizar el sistema en un 5 por ciento, y esto es algo importante para la movilidad eléctrica", dijo a Automotive News Europe Otmar Scharrer, jefe de ingeniería de sistemas de propulsión electrificados en ZF.

Infineon y Stellantis firmaron el pasado mes de septiembre un memorando de entendimiento por el que el fabricante alemán de chips reservará la producción de SiC en la segunda mitad de la década para los propios proveedores del fabricante de automóviles, en un acuerdo valorado en más de mil millones de euros.

Entre los acuerdos recientes importantes, Robert Bosch compró en abril TSI, un fabricante de chips de carburo de silicio con sede en California, y dijo que invertiría 1.500 millones de dólares en mejorar la fábrica de TSI para producir chips de SiC para vehículos eléctricos para 2026.

Vitesco dijo el 19 de junio que había firmado una asociación de suministro de más de mil millones de dólares con Rohm hasta 2030 para chips de carburo de silicio para sus inversores, y que la producción en serie comenzaría en 2024 para "dos clientes importantes".

En enero, el Grupo Volkswagen firmó un acuerdo estratégico con la empresa de tecnología estadounidense Onsemi para proporcionar módulos de carburo de silicio y semiconductores para inversores para las plataformas de vehículos eléctricos de próxima generación de VW.

Onsemi también obtuvo una importante victoria a finales de mayo con un acuerdo a 10 años y 1.900 millones de dólares con Vitesco para suministrar productos a base de carburo de silicio; Como parte del acuerdo, Vitesco invertirá 250 millones de dólares para reforzar las capacidades de producción de SiC de Onsemi.

Obleas de carburo de silicio en la fábrica de semiconductores de Bosch en Reutlingen, Alemania. El proveedor gastó 1.500 millones de dólares para adquirir TSI, un especialista estadounidense en carburo de silicio.

El carburo de silicio generalmente se fabrica mediante lo que se conoce como proceso Acheson, en honor al inventor estadounidense que descubrió el material por accidente (y luego lo patentó como carborundo) en 1891 durante un esfuerzo por fabricar un diamante sintético.

La arena de sílice y el carbón se calientan a temperaturas de hasta 2.500 grados Celsius durante un máximo de cuatro semanas (aproximadamente la mitad de la temperatura de la superficie del sol y un proceso intensamente pesado en energía), lo que da como resultado una “pequeña” de varios kilogramos.

Luego, la bola se procesa en obleas que pueden usarse en semiconductores. Sin embargo, las obleas de carburo de silicio son propensas a sufrir defectos que pueden dejarlas inutilizables, dijeron los expertos.

"Los semiconductores de potencia de carburo de silicio se encuentran en el comienzo de un gran aumento de la demanda", dijo en un comunicado el director general de Vitesco, Andreas Wolf. “Para nosotros es importante tener acceso a toda la cadena de valor del SiC. Con esta inversión, tenemos un suministro seguro de una tecnología clave durante los próximos 10 años y más”.

Se espera que el mercado automotriz de semiconductores de carburo de silicio valga más de 4 mil millones de dólares anuales para 2027, según un informe de Yole Group. Como porcentaje del mercado frente al silicio, el carburo de silicio crecerá del 20 por ciento en 2021 a más del 50 por ciento en 2030, estima S&P.

Entonces, está claro que el carburo de silicio es el futuro, no sólo para los inversores sino también para usos que incluyen la transferencia de energía del vehículo a la red. Pero el material tiene algunos inconvenientes.

Como debe generarse sintéticamente a partir de silicio y carbono (aunque se ha encontrado en meteoritos), requiere temperaturas y presiones extremas, de hasta 2.500 grados Celsius, y, por tanto, enormes gastos de energía. Y las obleas resultantes pueden tener defectos.

El Tesla Model 3 (en la imagen) fue el primer vehículo de producción en utilizar un inversor de carburo de silicio, en 2018.

Como ocurre con muchas innovaciones de vehículos eléctricos, Tesla fue pionera en el uso de chips de carburo de silicio en sus vehículos, comenzando en 2018 con el Modelo 3.

Los últimos vehículos eléctricos de Hyundai y Kia en su plataforma E-GMP, incluidos el Kia EV6 y el Hyundai Ionic 5 y 6, también utilizan inversores de SiC, al igual que el Porsche Taycan y el Audi E-tron GT y el vehículo eléctrico de lujo Lucid's Air.

El SUV eléctrico Lotus Eletre de la marca Geely también cuenta con inversor de SiC, al igual que el Maserati GranTurismo Folgore y el próximo MC20 Folgore.

A excepción de Tesla, todos esos coches también tienen sistemas de 800 voltios.

Otros fabricantes de automóviles han anunciado recientemente acuerdos con los principales proveedores de chips de SiC.

El coste de los chips de carburo de silicio (hasta cinco veces mayor que el del silicio), así como la dificultad de garantizar un suministro suficiente y de calidad de obleas, están llevando a algunas empresas a repensar cómo utilizan el material.

En una de las declaraciones más provocativas, el jefe de ingeniería de sistemas de propulsión de Tesla, Colin Campbell, dijo en marzo que el fabricante de automóviles reduciría el uso de SiC en un 75 por ciento en su próxima plataforma de sistemas de propulsión, sin explicar cómo, como parte de una reducción general de costos. de $1,000 por unidad.

"El carburo de silicio es un semiconductor sorprendente, pero también es caro y difícil de escalar", dijo Campbell. "Por lo tanto, usar menos es una gran victoria para nosotros".

El Maserati GranTurismo Folgore EV tiene un inversor de carburo de silicio, al igual que el próximo superdeportivo eléctrico MC20 Folgore.

Los precios de las acciones de los grandes actores del carburo de silicio cayeron después del anuncio de Campbell (pero luego se recuperaron). Sin embargo, otros también están pensando en formas de reducir su uso sin comprometer el rendimiento.

Soitec, una empresa francesa de semiconductores cuyos sustratos diseñados se han vuelto casi omnipresentes en los chips de RF (radiofrecuencia) para teléfonos inteligentes, está desarrollando un método que llama SmartSIC que puede obtener de 10 a 15 veces más material de chip de una sola oblea de carburo de silicio.

El proceso SmartCut de Soitec (considérelo como un cuchillo atómico) extrae una fina capa de carburo de silicio monocristalino de una llamada oblea donante, que luego se une a una oblea policristalina de carburo de silicio de resistividad ultrabaja. La oblea donada puede luego reutilizarse 10 veces, afirmó Emmanuel Sabonnadiere, vicepresidente de automoción e industria de Soitec.

El proceso SmartSIC puede ahorrar 4.000 toneladas de CO2 por cada 100.000 obleas, afirmó Sabonnadiere. "Es un sistema ecológico de producción de obleas", afirmó.

Las propiedades de ingeniería del sustrato lo hacen más eficiente, dijo, lo que en última instancia conduce a chips e inversores más eficientes para vehículos eléctricos.

"Los fabricantes de automóviles pueden reducir el tamaño de sus inversores y pueden reducir la necesidad de gestión térmica", afirmó.

Soitec se está asociando con STMicroelectronics para calificar el sistema, además de hablar con fabricantes de automóviles y proveedores de nivel 1 sobre su implementación comercial. Sabonnadiere dijo que espera que el proceso de calificación se complete a fines de 2024.

"Hay mucho interés por parte de los fabricantes de automóviles, incluso si estamos muy separados en la cadena de suministro", afirmó.

Una empresa en conversaciones con Soitec es el Grupo Volkswagen, que busca integrar verticalmente su cadena de valor de vehículos eléctricos, incluida la fabricación de sus propias celdas de batería con su unidad PowerCo y el diseño de sus propios inversores para su uso en futuros vehículos eléctricos con arquitectura PPE.

Los chips de carburo de silicio serán parte integral del rendimiento y el costo de esos inversores, dijo Berthold Hellenthal, gerente estratégico de semiconductores de Audi, quien también participa en la estrategia general de diseño de semiconductores del Grupo VW.

"Decidimos que todo lo relacionado con la transmisión [de los vehículos eléctricos] estará en nuestras manos", dijo. “Y para tener un buen rendimiento del sistema simbiótico, el inversor es clave. Conecta la batería al motor eléctrico y aquí es donde ocurre la magia”.

Los chips de carburo de silicio pueden ser más caros que los de silicio, pero pueden generar ahorros en otros aspectos, afirmó Hellenthal. "El carburo de silicio puede hacer que los vehículos sean más asequibles porque se puede obtener más autonomía con el mismo tamaño de batería o se pueden utilizar menos celdas de batería", dijo. "También puedes ahorrar en refrigeración; es una cuestión de cómo quieres jugarlo".

Dirk Walliser, director de I+D de ZF, afirma que los precios bajarán con la escala y a medida que las empresas desarrollen experiencia en el material.

"Ahora que sabemos cómo [trabajar con SiC], la ventaja de que el silicio sea un producto producido en masa ha desaparecido", dijo a Automotive News Europe. "Con tantos vehículos eléctricos nuevos en camino, el volumen de producción de carburo de silicio ha aumentado, por lo que existe la escala para recuperar las inversiones".

Douglas A. Bolduc contribuyó

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