Los vehículos híbridos entran en la era de la SiC

La tecnología híbrida de China está aprovechando el carburo de silicio para impulsar una revolución de eficiencia

Recientemente, Wuling Motors anunció oficialmente la adopción de la tecnología de carburo de silicio (SiC) en sus vehículos híbridos.Chery Auto también presentó nuevos desarrollos relacionados con sistemas híbridos basados en SiCLos principales fabricantes de automóviles chinos como Geely, Changan, BAIC y Hongqi también han realizado inversiones estratégicas en el espacio híbrido de carburo de silicio.La aplicación de la tecnología SiC se ha convertido en un punto destacado.

En los sistemas de accionamiento eléctrico, la integración de módulos de potencia de SiC combinados con la tecnología de envasado HPDmini ha dado lugar a un aumento del 268% en la densidad de potencia, una mejora del 70% en la capacidad de salida actual,y una mejora del 40% en la eficiencia de disipación de calor.

Además, las velocidades del motor ahora pueden alcanzar hasta 24.000 rpm, mejorando significativamente la respuesta de potencia y la eficiencia energética.El mercado híbrido de China está experimentando ahora una ola de evolución tecnológica centrada en el modelo de SiC + híbrido., con numerosos fabricantes de automóviles y proveedores de nivel 1 acelerando sus despliegues.

¿Cuáles son las perspectivas para el mercado híbrido?

Un número creciente de casos de aplicación indican que las mejoras tecnológicas y la expansión a gran escala en el mercado híbrido de China están formando un impulso sinérgico.Según los últimos datos de la industria, en 2024, la base instalada de sistemas DHT (Dedicated Hybrid Transmission) en el sector de vehículos híbridos enchufables de China alcanzó los 3.713 millones de unidades, un aumento del 94,61% interanual.Los sistemas híbridos que adoptan una arquitectura de doble motor representaron hasta un 97.7%, lo que confirma que las soluciones de doble motor altamente eficientes y altamente integradas se han convertido en la opción principal.

Esta tendencia tecnológica está estrechamente ligada al volumen instalado de unidades de control electrónico duales, que alcanzó los 3,628 millones de unidades, con un aumento interanual del 91,99%.Demuestra que los fabricantes de automóviles han progresado significativamente en tecnologías básicas como el desacoplamiento de potencia y la conducción multimodoSegún el2025 Libro blanco sobre dispositivos y módulos de carburo de silicio (SiC) Investigación industrial, dado que el coste de los dispositivos SiC continúa disminuyendo, se espera que el mercado híbrido entre 2025 y 2030 entre en una segunda fase de crecimiento.

Productos de SiC comúnmente utilizados en vehículos eléctricos

1.SiC MOSFET (transistor de efecto de campo de carburo de silicio y óxido metálico semiconductor)

Aplicaciones:

• Inversor de accionamiento principal (inversor de tracción): Activa el motor mediante la conversión de la energía de alta tensión de CC en energía de CA de tres fases.

• Convertidor CC-DC: Estabiliza el voltaje de la batería para alimentar los sistemas de bajo voltaje.

• Cargador a bordo (OBC): Convierte la energía de la red CA en energía CC para la carga de la batería.

Ventajas:

• Alta frecuencia de conmutación → Mejora la eficiencia del sistema

• Reduce el tamaño y el peso del sistema

• Baja los requisitos de gestión térmica

2.SiC SBD (diodo de barrera de carburo de silicio Schottky)

Aplicaciones:

• Ampliamente utilizado en cargadores de a bordo (OBC) y convertidores CC-CC

• Funciones como rectificador para mejorar la eficiencia y reducir las pérdidas de recuperación inversa

Ventajas:

• Tiempo de recuperación inverso cero → Adecuado para conmutación de alta frecuencia

• Excelente estabilidad térmica

3.Módulos de potencia de SiC

Aplicaciones:

• Integra múltiples componentes SiC (por ejemplo, MOSFET + SBD) en un módulo compacto

• Se utiliza en sistemas de accionamiento eléctrico, controladores de motores y sistemas de alto voltaje

Ventajas:

• Diseño compacto adecuado para una alta densidad de potencia

• Optimización de la gestión térmica y del rendimiento de supresión de EMI

Substratos de carburo de silicio de 6 y 8 pulgadas y obleas epitaxiales: la columna vertebral de los dispositivos de energía de próxima generación

Resumen del SiC como material

El carburo de silicio es un semiconductor de banda ancha con una banda de 3,26 eV (para 4H-SiC), en comparación con 1,12 eV para el silicio.

• Campo eléctrico crítico alto (~ 10 veces mayor que el silicio)

• Alta conductividad térmica (~ 3 veces mayor que el silicio)

• Voltado de ruptura elevado

• Alta velocidad de saturación de electrones

Estas propiedades hacen que el SiC sea especialmente adecuado para aplicaciones de alta potencia, alta frecuencia y alta temperatura.El SiC puede funcionar a voltajes y temperaturas más altos al tiempo que reduce las pérdidas de energía, que es fundamental para la eficiencia de conversión de potencia.

Los sustratos de SiC: la base

Estructura cristalina y politipos

El SiC existe en muchos politipos, pero el 4H-SiC es el material preferido para la electrónica de potencia debido a su mayor movilidad electrónica y amplio intervalo de banda.El sustrato es típicamente una oblea monocristalina cortada de una bola de SiC a granel cultivada por métodos de transporte físico de vapor (PVT).

Producción de sustratos de SiC

El proceso de producción incluye:

1. Crecimiento cristalino¢ Utilizando PVT o métodos Lely modificados, el polvo de SiC de alta pureza se sublima y recristaliza en un cristal de semilla a alta temperatura (~ 2000 °C) y baja presión.

2. Cortar las obleasLa bola crecida se corta con precisión en obleas (2", 4", 6" u 8").

3. La limpieza y el pulidoLas obleas son molidas, lapeadas y pulidas para obtener superficies ultra planas con mínimos defectos.

4. Inspección¢ Los sustratos se inspeccionan para detectar dislocaciones, micropipes, dislocaciones del plano basal (BPD) y otros defectos cristalinos.

Parámetros clave

• Diámetro:2", 4", 6", y las emergentes de 8" (200 mm)

• Ángulo fuera del eje:4° típico para el 4H-SiC para mejorar el crecimiento epitaxial

• El acabado de la superficie:CMP pulido (epireado)

• Resistencia:Conductivo o semi-isolante, según el tipo de dopado (tipo N, tipo P o intrínseco)

Wafers epitaxiales de SiC: diseño del dispositivo habilitador

¿Qué es una oblea epitaxial?

UnWafer epitaxialLa capa epitaxial está diseñada con perfiles eléctricos y de espesor específicos para cumplir con los requisitos exactos de los dispositivos de potencia.

Técnicas de crecimiento epitaxial

La técnica más común esDeposición química por vapor (CVD)Permite un control preciso de:

• espesor de la capa(generalmente de unos pocos a decenas de micrómetros)

• Concentración de dopaje(de 1015 a 1019 cm−3)

• Uniformidada través de grandes áreas de obleas

Los gases como el silano (SiH4) y el propano (C3H8) se utilizan como precursores, junto con el nitrógeno para el dopaje de tipo n o el aluminio para el dopaje de tipo p.

Diseño orientado a la aplicación

• Los MOSFET:Se requieren capas de deriva con baja dopadura (5 ∼15 μm) para un alto voltaje de bloqueo

• Los DAB:Se requieren capas epitaxiales más poco profundas con dopado controlado para una baja caída de voltaje hacia adelante

• Los JFET/IGBT:Estructuras de capas personalizadas para comportamiento específico de resistencia y conmutación

Ventajas de los sustratos de SiC y de los epiladores

Estas ventajas contribuyen directamente a reducir el tamaño, el peso y el costo de los sistemas de conversión de energía en vehículos eléctricos, cargadores, inversores solares y accionamientos industriales.

Desafíos y tendencias de la industria

Los desafíos

• Control de defectos:Las dislocaciones del plano basal (BPD), los micropipes y las fallas de apilamiento afectan el rendimiento del dispositivo.

• Costo de las obleas:Los sustratos de SiC son significativamente más caros que el Si, debido al tiempo de crecimiento, rendimiento y complejidad.

• Escalabilidad:Las obleas de 6 pulgadas son la corriente principal, pero la producción de obleas de 8 pulgadas sigue en la fase de I + D y piloto.

Tendencias

• Migración a las obleas de 8 pulgadaspara reducir el costo por chip

• Mejora de la calidad del sustratomediante técnicas de reducción de defectos

• Integración verticalpor los fabricantes para controlar toda la cadena de valor desde el sustrato hasta el dispositivo envasado

• Rápido crecimiento de la demandaimpulsados por los mercados de la automoción (EV) y las energías renovables

Conclusión

Los sustratos de carburo de silicio y las obleas epitaxiales representan el núcleo de la electrónica de potencia de próxima generación.aplicaciones de alta fiabilidadA medida que el mundo se mueva hacia la electrificación y la neutralidad de carbono, la demanda de obleas de SiC seguirá aumentando, impulsando la innovación y la expansión de la capacidad en toda la industria.

Si usted es un fabricante de dispositivos de semiconductores, desarrollador EV, o integrador de sistemas de energía,Comprender y elegir los substratos y las capas de epilación de SiC adecuados es un paso crítico para lograr el rendimiento y el éxito comercial.