Rolul de bază al semiconductorului de putere RF în revoluția ev

Deși numărul din ce în ce mai mare de lansări 5G și vânzările ascendente de dispozitive electronice pentru consumatori vor crea predominant un mediu favorabil pentru creșterea cererii de semiconductori de putere RF, industria automobilelor rămâne, de asemenea, printre principalele domenii de consum ale modulelor de putere RF.

În prezent, industria auto trece printr-o revoluție electrică și digitală dinamică. Un număr tot mai mare de vehicule sunt supuse electrificării, autonomiei și gata de conectare. Totul se reduce la importanța crescândă a eficienței energetice și va accelera transformarea industriei auto prin multiple. Cu toate acestea, un aspect important care va rămâne crucial pentru a produce această transformare este semiconductorul de putere RF, deoarece a jucat un rol esențial în activarea EV-urilor și EV-urilor hibride (HEV).

Participând la schimbarea „emisiilor zero” din industrie, cei mai importanți producători auto din lume au depus eforturi remarcabile pentru a-și intensifica proiectele de electrificare a vehiculelor. Proiecțiile bazate pe cercetare indică faptul că majoritatea OEM-urilor urmăresc în mod vizat obiectivele pentru vehicule electrice și vehicule electrice, care vor fi îndeplinite în 2025. Acest scenariu determină în mod clar oportunitățile semnificative pentru semiconductori de înaltă eficiență RF care ar funcționa efectiv la temperaturi ridicate. Astfel, producătorii de module de putere RF își concentrează în mod constant strategiile pe dezvoltarea produselor bazate pe tehnologiile SiC (carbură de siliciu), GaN (nitrură de galiu) și WBG (band-gap larg).

GaN apare ca o alegere a materialului pentru semiconductori de putere RF

În ciuda mai multor eforturi de cercetare și dezvoltare care au predominat în domeniul semiconductorilor WBG, varianta SiC a rămas alegerea tradițională pentru vehicule electrice și vehicule electrice, în trecutul recent. Cu toate acestea, de cealaltă parte, SiC a ajuns deja la stadiul de maturitate pe piață și este provocat de alte tehnologii concurente care câștigă teren asupra acestuia - în special în cazul electronicii de putere și a altor aplicații solicitante în vehiculele electrice și hibride.

În timp ce EV-urile și HEV-urile utilizează în mod obișnuit semiconductori de putere RF bazate pe SiC pentru reglarea convertoarelor DC / DC în grupul de propulsie, timpul de tranziție tinde să restricționeze frecvențele de comutare ale acestora între 10 kHz și 100 kHz. În prezent, aproape fiecare producător auto din întreaga lume depune eforturi inovatoare în ceea ce privește proiectele GaN ale semiconductoarelor de putere RF.

Introducerea semiconductorului GaN a avut promisiunea de a depăși potențial această provocare de lungă durată, permițând timpul de comutare în domeniul nanosecundelor și funcționarea la temperaturi de până la 200 ° C. Funcționalitatea mai rapidă a semiconductorului GaN are ca rezultat o frecvență mare de comutare și, prin urmare, o pierdere redusă de comutare. Mai mult, volumul electronic de putere mai mică se traduce printr-o greutate totală redusă, ceea ce susține ulterior o economie ușoară și mai eficientă.

Mai multe studii susțin potențialul de facto al semiconductorului bazat pe GaN pentru conversia de putere mare la viteză mare. Trecerea la o nouă eră a electronicii de putere care ar completa cel mai bine obiectivul EV-urilor și HEV-urilor, atribute cheie ale materialelor semiconductoare GaN, cum ar fi viteza superioară de comutare, temperaturi ridicate de funcționare, pierderi mai mici de comutare și conductivitate, ambalaje de dimensiuni compacte și costuri potențiale competitivitate, va continua să plaseze semiconductorii RF pe bază de GaN peste toți ceilalți omologi.

Provocări potențiale Limitarea extinderii semiconductorului de putere RF în vehicule electrice și vehicule electrice

În ciuda tuturor inovațiilor și rezultatelor pozitive care intră pe piețe, mai rămân câteva provocări ca bariere în calea funcționalității semiconductorilor de putere RF în vehiculele electrice. La urma urmei, conducerea unei componente de mare putere în termen de nanosecunde este o corvoadă complexă și vine cu mai multe dificultăți care încă nu au fost rezolvate. Una dintre cele mai importante provocări este îmbunătățirea valorilor nominale de tensiune. Îmbunătățirea operabilității eficiente la temperaturi mai ridicate fără modificarea proiectelor convenționale este o altă provocare importantă care continuă să capteze interesele de cercetare și dezvoltare în spațiul semiconductorului RF.

Faptul evidențiază în mod repetat că aplicațiile modulelor electronice de putere în EV și HEV sunt extrem de solicitante și performanța lor se bazează nu numai pe inovațiile bazate pe tensiune și performanță. O presiune constantă în ceea ce privește îmbunătățirile tehnologice structurale și de proiectare asigură rezistența, fiabilitatea și rezistența termică a dispozitivelor RF în vehiculele electrice hibride și pure / cu baterie.

Provocările de ambalare captează atenția

În timp ce distorsiunea pieselor electronice înconjurătoare a fost un alt factor care a provocat adecvarea dispozitivelor semiconductoare RF în cadrul proiectelor EV, ambalajul semiconductorilor EMC (compus de turnare epoxidică) a apărut ca un domeniu de cercetare extrem de profitabil, deoarece permite funcționarea fără a deranja componentele electronice vecine.

Mai mult, deși modulele de alimentare RF supraformate sunt deja percepute ca mainstream-ul viitorului apropiat, proiectele au încă o posibilitate de îmbunătățire în ceea ce privește gestionarea termică. Companiile de vârf în peisajul semiconductorilor RF subliniază astfel extinderea eforturilor lor legate de ambalare pentru a obține o fiabilitate îmbunătățită pentru utilizarea în vehiculele electrice.

Un viitor mai bun pentru WBG - Există vreunul?

Pe fondul maturității SiC și al superiorității dovedite a lui GaN, piața nu reușește totuși să rezolve problemele de fiabilitate asociate cu WBG, care în cele din urmă limitează penetrarea pe piață a semiconductorilor FR de tip WBG pe termen lung. Singura modalitate de realizare a ingineriei semiconductoarelor de tip WBG mai robuste constă în înțelegerea mai profundă a mecanismelor lor de eșec în condiții operaționale dure. Experții consideră, de asemenea, că WBG ar putea atinge maturitatea pe piață fără un sprijin strategic concret care să le restabilească fiabilitatea pentru o utilizare ulterioară.

Ce fac Behemoths din industrie

Wolfspeed, compania americană Cree Inc. specializată în produse premium SiC și GaN RF, a lansat recent un nou produs care aduce o reducere de peste 75% a pierderilor la invertor ale transmisiei EV. Cu o astfel de eficiență îmbunătățită, inginerii vor descoperi noi parametri pentru a inova în ceea ce privește utilizarea bateriei, autonomia, designul, gestionarea termică și ambalarea.

Circuitul de înaltă tensiune al invertoarelor din vehiculele electrice și hibride generează multă căldură și această problemă trebuie soluționată cu un mecanism de răcire eficient. Cercetările au recomandat în repetate rânduri că reducerea dimensiunii și greutății invertoarelor este cheia pentru a obține o răcire îmbunătățită a componentelor auto în vehicule electrice și vehicule electrice.

Pe o linie similară, majoritatea liderilor din industrie (Hitachi, Ltd., de exemplu) rămân concentrați asupra masei și dimensiunii invertorului cu ajutorul unei tehnologii de răcire dublă care utilizează fie lichid, fie aer pentru a răci direct puterea dorită. modul de putere RF de tensiune. Un astfel de mecanism permite, de asemenea, adăugarea la compacitate și flexibilitate a designului general și, prin urmare, la eforturile de reducere a pierderilor generate de energie.

Așteptând cu nerăbdare importanța unui design compact pentru creșterea aplicabilității semiconductorului de putere RF la vehiculele electrice, precum invertorul ultra-compact SiC de la Mitsubishi apare ca un pionier. Mitsubishi Electric Corporation a dezvoltat în mod deosebit acest produs ultra-compact RF pentru vehicule electrice hibride și susține că este cel mai mic dispozitiv SiC din lume de acest gen. Volumul redus de ambalare al acestui dispozitiv consumă spațiu semnificativ mai mic în interiorul vehiculului și, astfel, susține o eficiență mai mare a combustibilului și a energiei. Comercializarea dispozitivului este anticipată în următorii câțiva ani. Parțial susținută de New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japonia), compania va începe, de asemenea, cu producția în serie a invertorului ultra-compact SiC, în curând.

Anul trecut, prima unitate revoluționară de control programabilă (FPCU) din industrie a fost lansată ca o nouă arhitectură semiconductoare care poate fi responsabilă pentru creșterea gamei și performanței vehiculelor electrice și hibride electrice. Acest dispozitiv semiconductor RF este proiectat de Silicon Mobility, cu sediul în Franța, cu obiectivul de a permite tehnologiilor existente EV și HEV să își atingă potențialul maxim. Partenerul de producție al Silicon Mobility în dezvoltarea FPCU este producătorul de semiconductori din SUA - GlobalFoundries.

Cererea de semiconductori RF Power va crește în regiunea Asia-Pacific

Întrucât lumea trece rapid la surse de energie cu emisii reduse de carbon pentru a realiza un transport eficient din punct de vedere energetic, presiunea minimizării amprentei de carbon asupra vehiculelor eficiente din punct de vedere energetic dintr-o clădire. Chiar dacă producția de masă a început cu doar un deceniu în urmă, piața vehiculelor electrice depășește deja piața vehiculelor convenționale care funcționează pe ICE (motor cu combustie internă). Rata de expansiune a primei este relatărilor, aproape 10X că a mai târziu și spre sfârșitul anului 2040, mai mult de 1/3 ^rd din totalul vânzărilor de vehicule noi vor fi contabilizată de BEV.

Cele mai recente date ale Asociației Chinei a Producătorilor de Automobile implică faptul că peste jumătate de milion de vehicule electrice au fost vândute numai în China, în anul 2016, care a inclus în principal vehicule comerciale și autobuze. În timp ce China va rămâne cea mai mare piață pentru vehicule electrice pe termen lung, rata producției de vehicule electrice a fost la un nivel constant în întreaga regiune Asia-Pacific.

În plus față de industria electronică de consum înfloritoare semnificativ, regiunea a asistat recent la o creștere considerabilă a pieței vehiculelor electrice, creând astfel o oportunitate puternică pentru pătrunderea semiconductoarelor de putere RF, de preferință pe baza GaN.

Evaluarea globală a pieței semiconductoarelor de putere RF este de aproximativ 12 miliarde USD (începând cu sfârșitul anului 2018). Cu oportunități inovatoare care decurg din apariția tehnologiei 5G, adoptarea extinsă a infrastructurii rețelei wireless și a tehnologiei IIoT (Internetul industrial al obiectelor), perspectivele prospere ale peisajului electronicelor de larg consum și creșterea vânzărilor de vehicule electrice (EV), veniturile pieței semiconductoarelor de putere RF vor crește probabil la o rată impresionantă de creștere anuală de 12% până în 2027.

Aditi Yadwadkar este un scriitor cu experiență în cercetarea pieței și a scris mult pe industria electronică și a semiconductorilor. La Future Market Insights (FMI), ea colaborează îndeaproape cu echipa de cercetare în domeniul electronicii și semiconductorilor pentru a satisface nevoile clienților din întreaga lume. Aceste informații se bazează pe un studiu recent realizat de FMI pe piața semiconductorilor de putere RF .