- GaN nastaja kot izbira materiala za RF močnostne polprevodnike
- Potencialni izzivi, ki omejujejo širino RF močnostnih polprevodnikov v EV in HEV
- Izzivi embalaže vzbujajo pozornost
- Boljša prihodnost WBG - ali obstaja?
- Kaj si Behemoti v industriji prizadevajo
- Povpraševanje po RF močnostnih polprevodnikih v azijsko-pacifiški regiji narašča
Čeprav bo vedno večje število uvedb 5G in naraščajoča prodaja potrošniških elektronskih naprav v glavnem ustvarilo ugodno okolje za rast povpraševanja po RF močnih polprevodnikih, tudi avtomobilska industrija ostaja med ključnimi potrošniškimi področji RF močnostnih modulov.
Trenutno avtomobilska industrija doživlja dinamično električno in digitalno revolucijo. Naraščajoče število vozil je predmet elektrifikacije, avtonomije in pripravljenosti za povezljivost. Vse je odvisno od naraščajočega pomena energetske učinkovitosti in bo večkrat pospešilo preobrazbo avtomobilske industrije. Pomemben vidik, ki bo za to preobrazbo ostal ključen, pa je RF močnostni polprevodnik, saj je imel osrednjo vlogo pri omogočanju EV in hibridnih EV (HEV).
Vodilni svetovni proizvajalci avtomobilov, ki sodelujejo v premiku industrije z ničelnimi emisijami, si izjemno prizadevajo za pospeševanje svojih projektov elektrifikacije vozil. Projekcije, ki temeljijo na raziskavah, kažejo, da večina proizvajalcev originalne opreme vidno opazuje cilje za EV in HEV, ki jih je treba doseči leta 2025. Ta scenarij jasno kaže na velike priložnosti za visoko učinkovite RF močnostne polprevodnike, ki bi učinkovito delovali pri povišanih temperaturah. Proizvajalci RF močnostnih modulov zato svoje strategije nenehno osredotočajo na razvoj izdelkov, ki temeljijo na tehnologijah SiC (silicijev karbid), GaN (galijev nitrid) in WBG (širokopasovna reža).
GaN nastaja kot izbira materiala za RF močnostne polprevodnike
Kljub številnim raziskovalnim in razvojnim prizadevanjem, ki prevladujejo na področju polprevodnikov WBG, je različica SiC v nedavni preteklosti ostala tradicionalna izbira za EV in HEV. Po drugi strani pa je SiC na trgu že prišel v zrelost in ga izzivajo druge konkurenčne tehnologije, ki se nad njim uveljavljajo - zlasti v primeru močne elektronike in drugih zahtevnih aplikacij v električnih in hibridnih električnih vozilih.
Medtem ko EV in HEV običajno uporabljajo RF močnostne polprevodnike na osnovi SiC za regulacijo enosmernih / enosmernih pretvornikov v pogonskem sklopu, prehodni čas običajno omejuje njihove preklopne frekvence med 10 kHz in 100 kHz. Trenutno si skoraj vsi proizvajalci avtomobilov po vsem svetu prizadevajo za inovativne zasnove GaN RF močnostnih polprevodnikov.
Uvedba polprevodnika GaN je obljubila, da bo ta dolgotrajni izziv lahko premagala tako, da bo omogočila preklopni čas v območju nanosekunde in delovanje pri temperaturah do 200 ° C. Hitrejša funkcionalnost polprevodnikov GaN ima za posledico visoko preklopno frekvenco in s tem nizke preklopne izgube. Poleg tega manjša moč elektronske glasnosti pomeni manjšo skupno težo, kar posledično podpira lahko in varčnejšo ekonomičnost.
Številne študije zagovarjajo dejanski potencial polprevodnikov na osnovi GaN za visoko pretvorbo moči pri visoki hitrosti. Prehod na novo dobo močne elektronike, ki bi najbolje dopolnila cilj EV in HEV, ključnih lastnosti polprevodniških materialov GaN, kot so izjemna hitrost preklapljanja, visoke delovne temperature, manjše izgube pri preklopu in prevodnosti, kompaktna embalaža in potencialni stroški konkurenčnosti, bo še naprej postavljal RF-polprevodnike na osnovi GaN-a pred vse druge.
Potencialni izzivi, ki omejujejo širino RF močnostnih polprevodnikov v EV in HEV
Kljub vsem novostim in pozitivnim izidom, ki vstopajo na trge, še vedno ostaja nekaj izzivov, ki ovirajo funkcionalnost RF močnostnih polprevodnikov v električnih vozilih. Konec koncev je vožnja z visoko zmogljivo komponento v nanosekundah zapleteno opravilo in ima številne težave, ki jih je treba še rešiti. Eden najvidnejših izzivov je izboljšanje napetosti. Izboljšanje učinkovite obratovalnosti pri višjih temperaturah brez spreminjanja običajnih konstrukcij je še en pomemben izziv, ki še naprej zajema interese R&R v polprevodniškem prostoru RF.
Dejstvo vedno znova poudarja, da so aplikacije močnostnih elektronskih modulov v EV in HEV zelo zahtevne in njihova zmogljivost ni odvisna samo od inovacij, ki temeljijo na napetosti in zmogljivosti. Nenehni pritiski na področju strukturnih in konstrukcijskih izboljšav tehnologije zagotavljajo vzdržljivost, zanesljivost in toplotno odpornost RF naprav v hibridnih in povsem akumulatorskih električnih vozilih.
Izzivi embalaže vzbujajo pozornost
Medtem ko je izkrivljanje okoliških elektronskih delov še en dejavnik, ki izziva primernost RF polprevodniških naprav v EV izvedbah, se je polprevodniška embalaža EMC (epoksidna zmes) oblikovala kot zelo donosno področje raziskav, saj omogoča delovanje brez motenja sosednjih elektronskih komponent.
Poleg tega, čeprav se prekomerno oblikovani RF-moduli že dojemajo kot glavni tok v bližnji prihodnosti, imajo načrti še vedno možnosti za izboljšanje glede upravljanja s toploto. Vodilna podjetja na področju polprevodnikov RF tako poudarjajo razširitev svojih prizadevanj v zvezi z embalažo, da bi dosegli večjo zanesljivost uporabe v električnih vozilih.
Boljša prihodnost WBG - ali obstaja?
Glede na zrelost SiC in dokazano superiornost GaN trg ne uspe rešiti pomislekov glede zanesljivosti, povezanih z WBG, kar sčasoma omejuje tržni prodor polprevodnikov tipa WBG FR. Edini način za doseganje inženirjev močnejših polprevodnikov tipa WBG je globlje razumevanje njihovih mehanizmov odpovedi v težkih pogojih delovanja. Strokovnjaki tudi menijo, da bi lahko WBG dosegel zrelost na trgu brez konkretne strateške podpore, ki bi ponovno vzpostavila njihovo zanesljivost za nadaljnjo uporabo.
Kaj si Behemoti v industriji prizadevajo
Wolfspeed, ameriška družba Cree Inc., specializirana za vrhunske izdelke SiC in GaN RF, je nedavno predstavila nov izdelek, ki prinaša približno 75-odstotno zmanjšanje izgub zaradi pretvornika pogonskega sklopa EV. S tako izboljšano učinkovitostjo bodo inženirji verjetno odkrili nove parametre za novosti na področju uporabe baterij, dosega, zasnove, upravljanja s toploto in embalaže.
Visokonapetostna vezja pretvornikov v električnih in hibridnih električnih vozilih ustvarjajo veliko toplote in to težavo je treba rešiti z učinkovitim hladilnim mehanizmom. Raziskave vedno znova priporočajo, da je zmanjšanje velikosti in teže pretvornikov ključnega pomena za izboljšanje hlajenja avtomobilskih komponent v EV in HEV.
Podobno se večina vodilnih v industriji (na primer Hitachi, Ltd.) še naprej osredotoča na maso in velikost pretvornika s pomočjo tehnologije dvojnega hlajenja, ki s tekočino ali zrakom neposredno hladi želeno visoko napetostni RF napajalni modul. Tak mehanizem omogoča tudi kompaktnost in prilagodljivost celotne zasnove in s tem prizadevanja za zmanjšanje izgub pri proizvodnji električne energije.
Veseli se pomena kompaktne zasnove za povečanje uporabnosti RF močnostnega polprevodnika v električnih vozilih, tako kot Mitsubishijev ultra kompaktni pretvornik SiC, se pokaže kot popotnica. Podjetje Mitsubishi Electric Corporation je posebej razvilo ta izjemno kompaktni RF-izdelek za hibridna električna vozila in trdi, da je to najmanjša naprava na svetu SiC doslej. Zmanjšana količina embalaže te naprave porabi bistveno manj prostora v notranjosti vozila in tako prispeva k večji učinkovitosti porabe goriva in energije. Trženje naprave se pričakuje v naslednjih nekaj letih. Podjetje bo deloma podprlo Organizacija za razvoj nove energije in industrijske tehnologije (NEDO, Japonska), kmalu pa bo začelo tudi množično proizvodnjo ultra kompaktnega pretvornika SiC.
Lani je bila predstavljena prva revolucionarna na terenu programabilna krmilna enota (FPCU) kot nova polprevodniška arhitektura, ki je lahko odgovorna za povečanje obsega in zmogljivosti električnih in hibridnih električnih vozil. Ta RF polprevodniška naprava je zasnovana v podjetju Silicon Mobility s sedežem v Franciji, da bi obstoječim tehnologijam EV in HEV omogočila doseči svoj največji potencial. Proizvodni partner podjetja Silicon Mobility pri razvoju FPCU je ameriški proizvajalec polprevodnikov - GlobalFoundries.
Povpraševanje po RF močnostnih polprevodnikih v azijsko-pacifiški regiji narašča
Ko se svet hitro preusmerja na nizkoogljične vire energije, da bi dosegel energetsko učinkovit prevoz, pritisk zmanjšanja ogljičnega odtisa na energetsko učinkovita vozila v stavbi ni več. Tudi če se je množična proizvodnja začela pred približno desetletjem, trg električnih vozil že prehiteva trg običajnih vozil, ki delujejo na ICE (motor z notranjim zgorevanjem). Stopnja razširitvi prvega je po poročanju skoraj 10X, da od kasneje in proti koncu leta 2040, več kot 1/3 rd od celotne prodaje novih vozil bo treba obračunati s EV.
Najnovejši podatki Kitajskega združenja avtomobilskih proizvajalcev kažejo, da je bilo samo na Kitajskem v letu 2016 prodanih več kot pol milijona električnih vozil, ki so v glavnem vključevala gospodarska vozila in avtobuse. Medtem ko bo Kitajska dolgoročno ostala največji trg za električna vozila, je bila stopnja proizvodnje električnih vozil v celotni azijsko-pacifiški regiji konstantno visoka.
Poleg močno cvetoče industrije potrošniške elektronike v regiji v zadnjem času priča tudi precejšnja rast trga električnih vozil, kar ustvarja močno priložnost za prodor RF močnih polprevodnikov, po možnosti na osnovi GaN.
Globalna ocena trga RF močnostnih polprevodnikov je približno 12 milijard USD (konec leta 2018). Z prodornimi priložnostmi, ki izhajajo iz začetka uporabe tehnologije 5G, obsežnega sprejetja infrastrukture brezžičnega omrežja in tehnologije IIoT (Industrial Internet of Things), uspešnih pogledov na področje potrošniške elektronike in naraščajoče prodaje električnih vozil (EV), prihodki od RF močnih polprevodnikov se bodo verjetno do leta 2027 povečale z impresivno 12-odstotno stopnjo letne rasti.
Aditi Yadwadkar je izkušen pisec tržnih raziskav in je veliko pisal o industriji elektronike in polprevodnikov. Pri Future Market Insights (FMI) tesno sodeluje z raziskovalno skupino za elektroniko in polprevodnike, da bi zadovoljila potrebe strank po vsem svetu. Ta spoznanja temeljijo na nedavni študiji FMI o trgu močnih polprevodnikov .