Ο βασικός ρόλος του ημιαγωγού rf power στην επανάσταση

Παρόλο που ο ολοένα αυξανόμενος αριθμός των πωλήσεων 5G και των αυξανόμενων πωλήσεων ηλεκτρονικών συσκευών καταναλωτών θα δημιουργήσει κατά κύριο λόγο ένα ευνοϊκό περιβάλλον για την αύξηση της ζήτησης ημιαγωγών ισχύος RF, η αυτοκινητοβιομηχανία παραμένει επίσης μεταξύ των βασικών καταναλωτικών τομέων των μονάδων ισχύος RF.

Επί του παρόντος, η αυτοκινητοβιομηχανία διέρχεται μια δυναμική ηλεκτρική και ψηφιακή επανάσταση. Ένας αυξανόμενος αριθμός οχημάτων υπόκειται σε ηλεκτροδότηση, αυτονομία και έτοιμη για σύνδεση. Όλα οφείλονται στην αυξανόμενη σημασία της ενεργειακής απόδοσης και θα επιταχύνουν τον μετασχηματισμό της αυτοκινητοβιομηχανίας κατά πολλαπλά. Ωστόσο, μια σημαντική πτυχή που θα παραμείνει κρίσιμη για την πραγματοποίηση αυτού του μετασχηματισμού, είναι ο ημιαγωγός ισχύος RF, καθώς έχει διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην ενεργοποίηση των EV και των υβριδικών EV (HEVs).

Συμμετέχοντας στη μετατόπιση «μηδενικών εκπομπών» του κλάδου, οι κορυφαίες αυτοκινητοβιομηχανίες στον κόσμο έχουν καταβάλει αξιοσημείωτες προσπάθειες για να αυξήσουν τα έργα ηλεκτροκίνησης των οχημάτων τους. Προβλέψεις που βασίζονται στην έρευνα δείχνουν ότι η πλειονότητα των ΚΑΕ κοιτάζουν εμφανώς τους στόχους για EV και HEV, που θα επιτευχθούν το 2025. Αυτό το σενάριο οδηγεί σαφώς στις σημαντικές ευκαιρίες για πολύ αποδοτικούς ημιαγωγούς ισχύος RF που θα λειτουργούσαν αποτελεσματικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι κατασκευαστές μονάδων ισχύος RF εστιάζουν συνεπώς συνεχώς τις στρατηγικές τους στην ανάπτυξη προϊόντων που βασίζονται σε τεχνολογίες SiC (καρβίδιο πυριτίου), GaN (νιτρίδιο του γαλλίου) και WBG (διάκενο ευρείας ζώνης).

Το GaN αναδύεται ως επιλογή υλικού για ημιαγωγούς ισχύος RF

Παρά τις διάφορες προσπάθειες Ε & Α που επικρατούν στον τομέα των ημιαγωγών WBG, η παραλλαγή SiC παρέμεινε η παραδοσιακή επιλογή για EV και HEV, κατά το πρόσφατο παρελθόν. Ωστόσο, από την άλλη πλευρά, η SiC έχει ήδη φτάσει στο στάδιο της ωριμότητας στην αγορά και αμφισβητείται από άλλες ανταγωνιστικές τεχνολογίες που κερδίζουν έδαφος πάνω από αυτήν - ιδιαίτερα στην περίπτωση ηλεκτρονικών και άλλων απαιτητικών εφαρμογών σε ηλεκτρικά και υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα.

Ενώ τα EV και τα HEV χρησιμοποιούν συνήθως ημιαγωγούς ισχύος με βάση SiC για ρύθμιση μετατροπέων DC / DC στο σύστημα μετάδοσης κίνησης, ο χρόνος μετάβασης τείνει να περιορίζει τις συχνότητες μεταγωγής μεταξύ 10 kHz και 100 kHz. Επί του παρόντος, σχεδόν κάθε αυτοκινητοβιομηχανία σε όλο τον κόσμο καταβάλλει προσπάθειες σε καινοτόμα σχέδια γύρω από τα σχέδια GaN των ημιαγωγών RF.

Η εισαγωγή του ημιαγωγού GaN υποσχέθηκε να ξεπεράσει δυνητικά αυτήν τη μακροχρόνια πρόκληση, επιτρέποντας τον χρόνο εναλλαγής εντός της περιοχής νανοδευτερολέπτων και τη λειτουργία σε θερμοκρασίες τόσο υψηλές όσο 200 ° C. Η γρηγορότερη λειτουργικότητα του ημιαγωγού GaN οδηγεί σε υψηλή συχνότητα μεταγωγής και, ως εκ τούτου, χαμηλή απώλεια μεταγωγής. Επιπλέον, η ηλεκτρονική ένταση χαμηλότερης ισχύος μεταφράζεται σε μειωμένο συνολικό βάρος, το οποίο στη συνέχεια υποστηρίζει ελαφριά και οικονομία αποδοτικότητας.

Αρκετές μελέτες υποστηρίζουν το de facto δυναμικό του ημιαγωγού με βάση το GaN για υψηλή μετατροπή ισχύος με υψηλή ταχύτητα. Μετάβαση σε μια νέα εποχή ηλεκτρονικών ισχύος που θα συμπληρώνει καλύτερα τον στόχο των EV και HEV, βασικά χαρακτηριστικά των υλικών ημιαγωγών GaN, όπως ανώτερη ταχύτητα μεταγωγής, υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας, μικρότερες απώλειες μεταγωγής και αγωγιμότητας, συσκευασία μικρού μεγέθους και πιθανό κόστος ανταγωνιστικότητα, θα συνεχίσει να τοποθετεί τους ημιαγωγούς RF με βάση το GaN σε όλους τους άλλους ομολόγους.

Πιθανές προκλήσεις που περιορίζουν την έκταση του ημιαγωγού ισχύος RF σε EV και HEV

Παρά όλες τις καινοτομίες και τα θετικά αποτελέσματα που εισέρχονται στις αγορές, παραμένουν μερικές προκλήσεις ως εμπόδια στη λειτουργικότητα του ημιαγωγού ισχύος RF στα ηλεκτρικά οχήματα. Σε τελική ανάλυση, η οδήγηση ενός εξαρτήματος υψηλής ισχύος εντός νανοδευτερολέπτων είναι μια πολύπλοκη δουλειά και έρχεται με πολλές δυσκολίες που δεν έχουν ακόμη επιλυθεί. Μία από τις πιο σημαντικές προκλήσεις είναι η βελτίωση των ονομαστικών τάσεων. Η ενίσχυση της αποτελεσματικής λειτουργικότητας σε υψηλότερες θερμοκρασίες χωρίς αλλαγή των συμβατικών σχεδίων είναι μια άλλη σημαντική πρόκληση που συνεχίζει να συλλάβει τα ενδιαφέροντα Ε & Α στον χώρο ημιαγωγών RF.

Το γεγονός τονίζει επανειλημμένα ότι οι εφαρμογές ηλεκτρονικών μονάδων ισχύος σε EV και HEV είναι πολύ απαιτητικές και η απόδοσή τους βασίζεται όχι μόνο σε καινοτομίες που βασίζονται στην τάση και στην απόδοση. Μια συνεχής ώθηση όσον αφορά τις βελτιώσεις της δομικής και της τεχνολογίας σχεδιασμού εξασφαλίζει αντοχή, αξιοπιστία και θερμική αντίσταση των συσκευών RF σε υβριδικά και καθαρά / ηλεκτρικά οχήματα μπαταρίας.

Οι προκλήσεις συσκευασίας προσελκύουν την προσοχή

Ενώ η παραμόρφωση των γύρω ηλεκτρονικών εξαρτημάτων ήταν ένας άλλος παράγοντας που αμφισβητεί την καταλληλότητα των συσκευών ημιαγωγών RF σε σχέδια EV, η συσκευασία ημιαγωγών EMC (εποξική χύτευση σύνθετων) έχει αναδειχθεί ως ένας εξαιρετικά κερδοφόρος τομέας έρευνας, καθώς επιτρέπει τη λειτουργία χωρίς να ενοχλεί τα γειτονικά ηλεκτρονικά εξαρτήματα.

Επιπλέον, παρόλο που οι υπερπλεγμένες μονάδες ισχύος RF έχουν ήδη θεωρηθεί ως οι κύριες τάσεις στο εγγύς μέλλον, τα σχέδια εξακολουθούν να έχουν περιθώρια βελτίωσης όσον αφορά τη θερμική διαχείριση. Οι κορυφαίες εταιρείες στο τοπίο των ημιαγωγών RF δίνουν έμφαση στη διεύρυνση των προσπαθειών τους σχετικά με τη συσκευασία για την επίτευξη βελτιωμένης αξιοπιστίας για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα.

Καλύτερο μέλλον για WBG - Υπάρχει;

Στο πλαίσιο της ωριμότητας της SiC και της αποδεδειγμένης ανωτερότητας της GaN, η αγορά ωστόσο δεν επιλύει τα προβλήματα αξιοπιστίας που σχετίζονται με την WBG, η οποία τελικά περιορίζει τη διείσδυση στην αγορά των ημιαγωγών FR τύπου WBG μακροπρόθεσμα. Ο μόνος τρόπος για να επιτευχθεί η κατασκευή πιο ισχυρών ημιαγωγών τύπου WBG έγκειται στη βαθύτερη κατανόηση των μηχανισμών αστοχίας τους σε δύσκολες συνθήκες λειτουργίας. Οι ειδικοί πιστεύουν επίσης ότι η WBG μπορεί να επιτύχει ωριμότητα στην αγορά χωρίς συγκεκριμένη στρατηγική υποστήριξη που θα αποκαθιστούσε την αξιοπιστία τους για περαιτέρω χρήση.

Τι είναι τα Behemoths της βιομηχανίας

Η Wolfspeed, η εταιρεία Cree Inc. που εδρεύει στις ΗΠΑ και ειδικεύεται στα premium προϊόντα ισχύος SiC και GaN RF, παρουσίασε πρόσφατα ένα νέο προϊόν που επιφέρει μείωση κατά περισσότερο από 75% στις απώλειες μετατροπέα του κινητήρα EV. Με τέτοια βελτιωμένη απόδοση, οι μηχανικοί είναι πιθανό να ανακαλύψουν νέες παραμέτρους για καινοτομία όσον αφορά τη χρήση της μπαταρίας, το εύρος, το σχεδιασμό, τη θερμική διαχείριση και τη συσκευασία.

Το κύκλωμα υψηλής τάσης των μετατροπέων σε ηλεκτρικά και υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα παράγει πολλή θερμότητα και αυτό το πρόβλημα πρέπει να αντιμετωπιστεί με αποτελεσματικό μηχανισμό ψύξης. Η έρευνα προτείνει επανειλημμένα ότι η μείωση του μεγέθους και του βάρους των μετατροπέων είναι το κλειδί για την επίτευξη βελτιωμένης ψύξης των εξαρτημάτων αυτοκινήτων σε EV και HEV.

Σε μια παρόμοια γραμμή, η πλειοψηφία των ηγετών του κλάδου (η Hitachi, Ltd., για παράδειγμα) παραμένουν επικεντρωμένες στη μάζα και το μέγεθος του μετατροπέα με τη βοήθεια μιας τεχνολογίας διπλής ψύξης που χρησιμοποιεί είτε υγρό είτε αέρα για να ψύξει άμεσα την επιθυμητή υψηλή μονάδα ισχύος τάσης RF. Ένας τέτοιος μηχανισμός επιτρέπει επίσης την προσθήκη στη συμπαγή και ευελιξία του συνολικού σχεδιασμού και συνεπώς στις προσπάθειες μείωσης των απωλειών παραγωγής ενέργειας.

Ανυπομονούμε για τη σημασία ενός συμπαγούς σχεδιασμού για την αύξηση της ισχύος του ημιαγωγού ισχύος RF σε ηλεκτρικά οχήματα, τα παρόμοια του εξαιρετικά συμπαγούς μετατροπέα SiC της Mitsubishi εμφανίζονται ως trailblazer. Η Mitsubishi Electric Corporation έχει αναπτύξει ιδιαίτερα αυτό το εξαιρετικά συμπαγές προϊόν ισχύος RF για υβριδικά EV και ισχυρίζεται ότι είναι η μικρότερη στον κόσμο συσκευή SiC αυτού του είδους. Ο μειωμένος όγκος συσκευασίας αυτής της συσκευής καταναλώνει σημαντικά μικρότερο χώρο στο εσωτερικό του οχήματος και έτσι υποστηρίζει υψηλότερη απόδοση καυσίμου και ενέργειας. Η εμπορευματοποίηση της συσκευής αναμένεται τα επόμενα δύο χρόνια. Εν μέρει υποστηριζόμενος από τον Οργανισμό Ανάπτυξης Νέας Ενέργειας και Βιομηχανικής Τεχνολογίας (NEDO, Ιαπωνία), η εταιρεία θα ξεκινήσει επίσης με μαζική παραγωγή του εξαιρετικά συμπαγούς μετατροπέα SiC, σύντομα.

Πέρυσι, η πρώτη επαναστατική μονάδα προγραμματισμού πεδίου της βιομηχανίας (FPCU) κυκλοφόρησε ως μια νέα αρχιτεκτονική ημιαγωγών που μπορεί ενδεχομένως να είναι υπεύθυνη για την ενίσχυση της εμβέλειας και της απόδοσης των ηλεκτρικών και υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων. Αυτή η συσκευή ημιαγωγών RF κατασκευάζεται από τη Silicon Mobility, με έδρα τη Γαλλία, με στόχο να επιτρέψει στις υπάρχουσες τεχνολογίες EV και HEV να επιτύχουν το μέγιστο δυναμικό τους. Ο συνεργάτης κατασκευής της Silicon Mobility στην ανάπτυξη του FPCU είναι ο κατασκευαστής ημιαγωγών με έδρα τις ΗΠΑ - GlobalFoundries.

Ζήτηση ημιαγωγών RF Power να κυματίζει στην περιοχή της Ασίας-Ειρηνικού

Καθώς ο κόσμος μεταβαίνει γρήγορα σε πηγές ενέργειας χαμηλών εκπομπών άνθρακα για να επιτύχει ενεργειακά αποδοτικές μεταφορές, η πίεση ελαχιστοποίησης του αποτυπώματος άνθρακα σε ενεργειακά αποδοτικά οχήματα σε ένα κτίριο. Ακόμα κι αν η μαζική παραγωγή έχει ξεκινήσει πριν από μια δεκαετία περίπου, η αγορά EV ξεπερνά ήδη την αγορά συμβατικών οχημάτων που λειτουργούν με ICE (κινητήρας εσωτερικής καύσης). Ο ρυθμός επέκτασης της πρώην φέρεται να είναι σχεδόν 10Χ ότι του αργότερα και προς τα τέλη του 2040, πάνω από το 1/3 ^rd των συνολικών πωλήσεων νέων οχημάτων θα λογίζονται από την ΕΕΥ.

Τα τελευταία στοιχεία της Κίνας Ένωσης Κατασκευαστών Αυτοκινήτων υποδηλώνουν ότι πάνω από μισό εκατομμύριο EV πωλήθηκαν μόνο στην Κίνα, το έτος 2016, το οποίο περιελάμβανε κυρίως εμπορικά οχήματα και λεωφορεία. Ενώ η Κίνα θα παραμείνει η μεγαλύτερη αγορά ηλεκτρικών σταθμών μακροπρόθεσμα, ο ρυθμός παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος ήταν σταθερά υψηλός σε ολόκληρη την περιοχή της Ασίας-Ειρηνικού.

Εκτός από τη σημαντική άνθηση της βιομηχανίας ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, η περιοχή σημείωσε σημαντική ανάπτυξη της αγοράς EV, πρόσφατα, δημιουργώντας έτσι μια ισχυρή ευκαιρία για τη διείσδυση των ημιαγωγών ισχύος RF, κατά προτίμηση με βάση το GaN.

Η παγκόσμια αποτίμηση της αγοράς ημιαγωγών ισχύος RF είναι περίπου 12 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ (από το τέλος του 2018). Με πρωτοποριακές ευκαιρίες που προκύπτουν από την έναρξη της τεχνολογίας 5G, την εκτενή υιοθέτηση της υποδομής ασύρματου δικτύου και την τεχνολογία IIoT (Industrial Internet of Things), την ευημερούσα προοπτική του τοπίου των ηλεκτρονικών καταναλωτών και τις αυξανόμενες πωλήσεις ηλεκτρικών οχημάτων (EV), τα έσοδα από την αγορά ημιαγωγών RF είναι πιθανό να επεκταθούν με εντυπωσιακό 12% ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης έως το 2027.

Ο Aditi Yadwadkar είναι ένας έμπειρος συγγραφέας έρευνας αγοράς και έχει γράψει εκτενώς τη βιομηχανία Ηλεκτρονικών και Ημιαγωγών. Στο Future Market Insights (FMI), συνεργάζεται στενά με την ερευνητική ομάδα Ηλεκτρονικών και Ημιαγωγών για την εξυπηρέτηση των αναγκών των πελατών από όλο τον κόσμο. Αυτές οι πληροφορίες βασίζονται σε μια πρόσφατη μελέτη σχετικά με την αγορά RF Power Semiconductor της FMI.