- GaN sa objavuje ako výber materiálu pre RF výkonové polovodiče
- Potenciálne výzvy obmedzujúce rozsah RF Power Semiconductor v EV a HEV
- Výzvy týkajúce sa balenia pútajú pozornosť
- Lepšia budúcnosť pre WBG - Existuje nejaké?
- Čo chystajú priemyselní monstrá
- Dopyt po vysokofrekvenčnom polovodiči RF v ázijsko-pacifickom regióne
Aj keď neustále rastúci počet zavádzacích sietí 5G a stúpajúci predaj spotrebných elektronických zariadení vytvorí predovšetkým priaznivé prostredie pre rast dopytu po vysokofrekvenčných polovodičoch, automobilový priemysel zostáva tiež jednou z kľúčových spotrebiteľských oblastí vysokofrekvenčných výkonových modulov.
V súčasnosti automobilový priemysel prechádza dynamickou elektrickou a digitálnou revolúciou. Narastajúci počet vozidiel podlieha elektrifikácii, autonómii a pripravenosti na pripojenie. Všetko sa zredukuje na rastúci význam energetickej účinnosti a mnohonásobne urýchli transformáciu automobilového priemyslu. Dôležitým aspektom, ktorý bude pre uskutočnenie tejto transformácie naďalej rozhodujúci, je však RF výkonový polovodič, ktorý hral kľúčovú úlohu pri umožňovaní EV a hybridných EV (HEV).
Pri účasti na zmene priemeru „nulových emisií“ vyvíjajú poprední svetoví výrobcovia automobilov pozoruhodné úsilie pri zintenzívňovaní svojich projektov elektrifikácie vozidiel. Projekcie založené na výskume naznačujú, že väčšina výrobcov OEM významne sleduje ciele pre EV a HEV, ktoré majú byť splnené v roku 2025. Tento scenár jednoznačne vyzýva k významným príležitostiam pre vysoko efektívne vysokofrekvenčné polovodiče, ktoré by efektívne fungovali pri zvýšených teplotách. Výrobcovia vysokofrekvenčných výkonových modulov sa tak neustále zameriavajú na vývoj produktov na báze technológií SiC (karbid kremíka), GaN (nitrid gália) a WBG (wide band-gap).
GaN sa objavuje ako výber materiálu pre RF výkonové polovodiče
Napriek množstvu úsilia v oblasti výskumu a vývoja, ktoré prevládajú v oblasti polovodičov WBG, zostal variant SiC v nedávnej minulosti tradičnou voľbou pre EV a HEV. Na druhej strane však SiC už dospel do fázy zrelosti na trhu a čelia mu výzvy ďalších konkurenčných technológií, ktoré sa nad ním presadzujú - najmä v prípade výkonovej elektroniky a iných náročných aplikácií v elektrických a hybridných elektrických vozidlách.
Zatiaľ čo EV a HEV typicky využívajú RF výkonové polovodiče na báze SiC na reguláciu DC / DC prevodníkov v pohonnej jednotke, doba prechodu má tendenciu obmedzovať ich spínacie frekvencie medzi 10 kHz a 100 kHz. V súčasnosti takmer každá automobilka na celom svete vynakladá inovatívne úsilie v oblasti návrhov GaN vysokofrekvenčných polovodičov.
Zavedenie polovodiča GaN prinieslo prísľub potenciálneho prekonania tejto dlhotrvajúcej výzvy umožnením spínacieho času v rozsahu nanosekúnd a prevádzkou pri teplotách vyšších ako 200 ° C. Rýchlejšia funkčnosť polovodiča GaN vedie k vysokej spínacej frekvencii a tým k nízkym spínacím stratám. Navyše, elektronický objem s nižším výkonom sa premieta do zníženej celkovej hmotnosti, čo následne podporuje ľahkú a efektívnejšiu ekonomiku.
Niekoľko štúdií obhajuje de facto potenciál polovodiča na báze GaN pre vysoký výkon pri vysokej rýchlosti. Prechod do novej éry výkonovej elektroniky, ktorá by najlepšie dopĺňala cieľ EV a HEV, kľúčové atribúty polovodičových materiálov GaN, ako sú vynikajúca rýchlosť prepínania, vysoké prevádzkové teploty, menšie straty spínaním a vodivosťou, kompaktné rozmery obalu a potenciálne náklady konkurencieschopnosť, bude naďalej umiestňovať RF polovodiče založené na GaN nad všetky ostatné náprotivky.
Potenciálne výzvy obmedzujúce rozsah RF Power Semiconductor v EV a HEV
Napriek všetkým inováciám a pozitívnym výsledkom, ktoré vstupujú na trhy, stále zostáva niekoľko výziev, ktoré bránia funkčnosti vysokofrekvenčných polovodičov v elektrických vozidlách. Pohon s vysoko výkonným komponentom v nanosekundách je koniec koncov zložitá práca a prináša niekoľko ťažkostí, ktoré ešte treba vyriešiť. Jednou z najvýznamnejších výziev je zlepšenie menovitého napätia. Zvyšovanie efektívnej prevádzkyschopnosti pri vyšších teplotách bez zmeny konvenčných návrhov je ďalšou dôležitou výzvou, ktorá naďalej zachytáva záujmy výskumu a vývoja v oblasti RF polovodičov.
Táto skutočnosť opakovane zdôrazňuje, že aplikácie výkonových elektronických modulov v EV a HEV sú veľmi náročné a ich výkon sa spolieha nielen na inovácie založené na napätí a výkone. Neustály tlak na vylepšenia konštrukčných a dizajnových technológií zaisťuje odolnosť, spoľahlivosť a tepelný odpor vysokofrekvenčných zariadení v hybridných a čistých / batériových elektrických vozidlách.
Výzvy týkajúce sa balenia pútajú pozornosť
Zatiaľ čo skreslenie okolitých elektronických častí bolo ďalším faktorom spochybňujúcim vhodnosť vysokofrekvenčných polovodičových zariadení v rámci návrhov EV, EMC (epoxidová formovacia hmota) polovodičové balenie sa ukázalo ako veľmi lukratívna oblasť výskumu, pretože umožňuje prevádzku bez rušenia susedných elektronických súčiastok.
Navyše, aj keď už pretvarované RF výkonové moduly sú už vnímané ako hlavný prúd blízkej budúcnosti, návrhy majú stále priestor na zlepšenie, pokiaľ ide o tepelné riadenie. Popredné spoločnosti v oblasti RF polovodičov tak zdôrazňujú rozšírenie svojich snáh týkajúcich sa balenia s cieľom dosiahnuť vyššiu spoľahlivosť pri použití v elektrických vozidlách.
Lepšia budúcnosť pre WBG - Existuje nejaké?
Na pozadí vyspelosti SiC a preukázanej prevahy GaN sa na trhu nedarí vyriešiť problémy so spoľahlivosťou spojené s WBG, čo z dlhodobého hľadiska nakoniec obmedzuje penetráciu polovodičov FR typu WBG na trh. Jediný spôsob, ako dosiahnuť inžinierstvo robustnejších polovodičov typu WBG, spočíva v hlbšom porozumení ich mechanizmov zlyhania v náročných prevádzkových podmienkach. Odborníci sa tiež domnievajú, že WBG by mohla dosiahnuť zrelosť na trhu bez akejkoľvek konkrétnej strategickej podpory, ktorá by obnovila ich spoľahlivosť pre ďalšie využitie.
Čo chystajú priemyselní monstrá
Spoločnosť Wolfspeed, americká spoločnosť Cree Inc. so špecializáciou na prémiové SiC a GaN RF energetické produkty, nedávno uviedla na trh nový produkt, ktorý prináša viac ako 75% zníženie strát invertora pohonnej jednotky EV. S takouto zvýšenou účinnosťou budú inžinieri pravdepodobne objavovať nové inovačné parametre, pokiaľ ide o využitie batérie, dojazd, dizajn, správu tepla a balenie.
Vysokonapäťové obvody striedačov v elektrických a hybridných elektrických vozidlách generujú veľa tepla a tento problém je potrebné vyriešiť pomocou efektívneho chladiaceho mechanizmu. Výskum opakovane odporúča, aby zníženie veľkosti a hmotnosti striedačov bolo kľúčom k dosiahnutiu zlepšeného chladenia automobilových komponentov v elektrických a elektrických vozidlách.
Podobne, väčšina vedúcich predstaviteľov v odbore (napríklad Hitachi, Ltd.) sa naďalej zameriava na hmotnosť a veľkosť invertora pomocou technológie dvojitého chladenia, ktorá na priame ochladenie požadovanej vysokej teploty využíva buď kvapalinu, alebo vzduch. napäťový RF výkonový modul. Takýto mechanizmus tiež umožňuje pridať na kompaktnosti a flexibilite celkového dizajnu, a tým k úsiliu o zníženie strát pri výrobe energie.
Tešíme sa na dôležitosť kompaktného dizajnu, ktorý zvyšuje použiteľnosť vysokofrekvenčného polovodiča v elektrických vozidlách, ako ultrakompaktný invertor Mitsubishi SiC sa stáva priekopníkom. Spoločnosť Mitsubishi Electric Corporation vyvinula tento ultrakompaktný vysokofrekvenčný napájací produkt pre hybridné elektromobily a tvrdí, že je vôbec najmenším prístrojom SiC svojho druhu na svete. Znížený objem balenia tohto zariadenia spotrebuje podstatne menej miesta v interiéri vozidla, a tým podporuje vyššiu palivovú a energetickú účinnosť. Komercializácia zariadenia sa očakáva v najbližších niekoľkých rokoch. Čiastočne podporovaná Organizáciou pre vývoj nových energetických a priemyselných technológií (NEDO, Japonsko), spoločnosť čoskoro začne aj s hromadnou výrobou ultrakompaktného invertora SiC.
V minulom roku bola uvedená na trh prvá revolučná priemyselná programovateľná riadiaca jednotka (FPCU) ako nová polovodičová architektúra, ktorá môže byť potenciálne zodpovedná za zvýšenie dojazdu a výkonu elektrických a hybridných elektrických vozidiel. Toto vysokofrekvenčné polovodičové zariadenie je vyvinuté spoločnosťou Silicon Mobility so sídlom vo Francúzsku s cieľom umožniť existujúcim technológiám EV a HEV dosiahnuť ich maximálny potenciál. Výrobným partnerom spoločnosti Silicon Mobility pri vývoji FPCU je americký výrobca polovodičov - GlobalFoundries.
Dopyt po vysokofrekvenčnom polovodiči RF v ázijsko-pacifickom regióne
Pretože svet rýchlo prechádza na nízkouhlíkové zdroje energie, aby dosiahol energeticky efektívnu dopravu, zvyšuje sa tlak na minimalizáciu uhlíkovej stopy na energeticky efektívne vozidlá. Aj keď bola hromadná výroba zahájená zhruba pred desiatimi rokmi, trh s elektromobilmi už predstihuje trh s konvenčnými vozidlami poháňanými ICE (spaľovacím motorom). Tempo expanzie bývalý je údajne takmer 10X to neskôr a koncom roka 2040, viac ako 1/3 rd z celkového predaja nových vozidiel budú účtované pomocou elektromobilov.
Posledné údaje Čínskej asociácie výrobcov automobilov naznačujú, že iba v Číne sa v roku 2016 predalo viac ako pol milióna elektromobilov, ktoré zahŕňali hlavne úžitkové vozidlá a autobusy. Aj keď Čína z dlhodobého hľadiska zostane najväčším trhom s elektromobilmi, miera výroby elektromobilov bola v celom ázijsko-tichomorskom regióne neustále na vysokej úrovni.
Okrem významne sa rozvíjajúceho odvetvia spotrebnej elektroniky zaznamenáva tento región v poslednej dobe značný rast trhu s elektromobilmi, čím vytvára veľkú príležitosť pre prienik vysokofrekvenčných polovodičov, najlepšie založených na GaN.
Globálne ocenenie trhu s RF výkonovými polovodičmi je zhruba 12 miliárd USD (ku koncu roku 2018). S prielomovými príležitosťami vyplývajúcimi z nástupu technológie 5G, rozsiahlym prijatím bezdrôtovej sieťovej infraštruktúry a technológie IIoT (priemyselný internet vecí), prosperujúcim výhľadom do prostredia spotrebnej elektroniky a rastúcim predajom elektrických vozidiel (EV), príjmy z trhu RF výkonových polovodičov sa pravdepodobne do roku 2027 rozšíria s pôsobivým 12% zloženým ročným tempom rastu.
Aditi Yadwadkar je skúsená autorka prieskumu trhu a rozsiahle písala o priemysle elektroniky a polovodičov. Na spoločnosti Future Market Insights (FMI) úzko spolupracuje s výskumným tímom elektroniky a polovodičov, aby uspokojila potreby klientov z celého sveta. Tieto poznatky sú založené na nedávnej štúdii FMI o trhu RF Power Semiconductor Market .