IDTechEx resume la adopción emergente y las tendencias futuras de SiC y GaN en vehículos eléctricos
En 2008, la comercialización del MOSFET de carburo de silicio (SiC) marcó un importante punto de inflexión para el mercado de semiconductores de potencia, representando su primer avance significativo en décadas. Esta tecnología fue pionera en vehículos eléctricos (EV) con el Tesla Model 3 de 2017. El MOSFET de SiC es un transistor que promete alta densidad de potencia, mayor eficiencia y es menos falible a altas temperaturas. El resultado genera beneficios para los vehículos eléctricos (EV), que incluyen autonomías más largas, carga más rápida y costos potencialmente incluso más bajos para los vehículos eléctricos con batería (BEV). En la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos, los MOSFET de SiC han experimentado un increíble aumento en su adopción en los últimos cinco años en automóviles de fabricantes de equipos originales como Tesla y Hyundai. De hecho, una investigación de IDTechEx encontró que los inversores de SiC representaron el 28% del mercado de BEV en 2023 . Los HEMT de GaN, una tecnología más incipiente, podrían ser el próximo gran disruptor en el mercado de vehículos eléctricos. Presentan beneficios de eficiencia clave, pero enfrentan desafíos importantes para su adopción, como su máxima capacidad de manejo de energía. Existe una superposición considerable entre los MOSFET de SiC y los HEMT de GaN, y ambos tendrán un lugar en el mercado de semiconductores de potencia para automóviles. Dadas las compensaciones, ¿dónde veremos que SiC y GaN se arraiguen en el mercado de la electrónica de potencia?
El nuevo informe de IDTechEx, " Electrónica de potencia para vehículos eléctricos 2025-2035: tecnologías, mercados y pronósticos ", analiza la adopción de Si IGBT, SiC MOSFET y GaN HEMT, así como la evolución del mercado y las tecnologías de la electrónica de potencia para automóviles. para descubrir el panorama del mercado, del cual IDTechEx espera crecer a 36 mil millones de dólares para 2035.
Los MOSFET de SiC ya se están convirtiendo en la tecnología de referencia
Los obstáculos en el rendimiento, la confiabilidad y la capacidad de producción se han abordado con la rápida ampliación de las instalaciones, lo que ha reducido drásticamente el costo de los MOSFET de SiC. Aunque los MOSFET de SiC siguen siendo, en promedio, 3 veces más caros que un IGBT de Si equivalente, sus propiedades los convierten en una solución adoptada por Tesla, Hyundai y BYD (entre una multitud de fabricantes de equipos originales chinos en crecimiento). Otros han indicado una adopción futura a través de anuncios, incluidos Stellantis, Mercedes y la alianza Renault-Nissan-Mitsubishi, entre otros.
Los MOSFET de SiC presentan un factor de forma más pequeño y también pueden disminuir el tamaño de los componentes pasivos que los acompañan, como el inductor de un inversor de tracción. Más ligero y eficiente, el alcance de un BEV se puede aumentar en aproximadamente un 7 % cambiando de IGBT de Si a MOSFET de SiC en el inversor, abordando las preocupaciones de los consumidores sobre el alcance. Por otro lado, al utilizar MOSFET de SiC, se podría obtener la misma autonomía con una capacidad de batería reducida, lo que contribuiría a un vehículo más ligero, de menor coste y más sostenible.
A medida que aumenta la capacidad de la batería, también aumenta el ahorro de energía general logrado mediante el uso de MOSFET de SiC. Originalmente, los MOSFET de SiC y las baterías más grandes estaban reservados para vehículos eléctricos de valor medio a alto con baterías más grandes. Con los nuevos vehículos convencionales y económicos como el MG MG4, BYD Dolphin y Volvo EX30 con capacidades de batería superiores a 50 kWh, los MOSFET de SiC están listos para penetrar en los de Europa y China principales sectores de vehículos de pasajeros . Esto acompaña la ventaja obtenida en los EE. UU., siendo Tesla el primer OEM importante en utilizar MOSFET de SiC en su Modelo 3. El informe de IDTechEx, "Electrónica de potencia para vehículos eléctricos 2025-2035: tecnologías, mercados y pronósticos", predice que el La demanda de MOSFET de SiC se multiplicará por diez entre 2023 y 2035, impulsada por una mayor eficiencia y la adopción de plataformas de mayor voltaje, con aplicaciones en inversores, cargadores integrados y convertidores CC-CC.
Estado del mercado de GaN
Tanto el SiC como el GaN son semiconductores de banda prohibida ancha (WBG). Dado que el GaN tiene una banda prohibida aún más amplia que el SiC, en teoría, el GaN podría superar las ventajas de eficiencia del SiC. El límite superior absoluto de la frecuencia de conmutación de los IGBT de Si es 100 kHz. Para SiC, esto aumenta un orden de magnitud a aproximadamente 1 MHz, y GaN puede aumentar un factor de diez incluso más, a 10 MHz.
Sin embargo, esto es sólo una mirada a un lado de la historia, y existen barreras de entrada para el GaN en la electrónica de potencia. En primer lugar, con frecuencias de conmutación ultraaltas, los ingenieros deben abordar múltiples problemas técnicos, como EMI (interferencia electromagnética), control de puertas, efectos parásitos, efectos térmicos y mayores pérdidas de conmutación. En segundo lugar, a nivel de dispositivo, los MOSFET de SiC y los HEMT de GaN son, de hecho, muy diferentes. Los dispositivos de GaN normalmente se cultivan sobre sustratos de silicio, mientras que para el SiC se utiliza un sustrato de SiC nativo. Si bien los sustratos de Si tienen un costo mucho menor que alternativas como el SiC y el zafiro, limitan el potencial de un dispositivo de GaN, limitándolo a configuraciones laterales y voltajes bajos, lo que impide que sea útil en el inversor de tracción de un vehículo eléctrico, que normalmente opera a 600-1200V y cientos de kW.
Existen alternativas y tecnologías en desarrollo para abordar estos problemas que podrían impulsar el progreso de GaN en la electrónica de potencia de alto voltaje, como dispositivos verticales de GaN y topologías multinivel. IDTechEx analiza estas tecnologías y empresas en su informe "Electrónica de potencia para vehículos eléctricos 2025-2035: tecnologías, mercados y previsiones". Cabe señalar que el GaN tiene una participación de mercado significativa en la electrónica auxiliar de bajo voltaje de los vehículos, que está presente no solo en los vehículos eléctricos sino también en los híbridos suaves y los vehículos con motor de combustión interna.
El futuro de GaN y SiC
IDTechEx predice que la cuota de mercado de los MOSFET de SiC superará con creces el 50 % para 2035, lo que acompañará un crecimiento significativo en el mercado de semiconductores de potencia para automóviles. Los MOSFET de SiC ofrecen una solución a muchas narrativas que giran en torno al mercado de vehículos eléctricos: ansiedad por el alcance, carga rápida, sostenibilidad y el auge de las arquitecturas de 800 V.
Sin embargo, IDTechEx reconoce que GaN ingresará al mercado de electrónica de potencia para vehículos eléctricos durante los próximos cinco años. Esta entrada al mercado variará según el componente: antes para el cargador de a bordo, el convertidor CC-CC y más tarde para el inversor de tracción. Aunque GaN aún no está ahí, los desarrollos en tecnología de sustratos, dispositivos verticales y topologías multinivel irán acompañados de inversiones de grandes actores en el espacio de semiconductores de potencia para automóviles, como ROHM, Infineon y Renesas. Esto pronto convertirá al GaN en una solución realista y generalizada para la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos. Durante la próxima década, se puede esperar la coexistencia de Si, SiC y GaN en el ecosistema de la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos. El nuevo informe de IDTechEx sobre el tema, "Electrónica de potencia para vehículos eléctricos 2025-2035: tecnologías, mercados y pronósticos", proporciona información sobre estas tecnologías y aplicaciones, identificando las oportunidades potenciales del mercado.
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