- GaN se objevuje jako volba materiálu pro RF výkonové polovodiče
- Potenciální výzvy omezující rozsah RF Power Semiconductor v EV a HEV
- Obal přitahuje pozornost
- Lepší budoucnost pro WBG - Existuje nějaká?
- Co dělají průmysloví monstra
- Poptávka RF Power Semiconductor k nárůstu v asijsko-pacifickém regionu
Přestože stále rostoucí počet zavádění 5G a stoupající prodej spotřebních elektronických zařízení vytvoří převážně příznivé prostředí pro růst poptávky po RF výkonových polovodičích, automobilový průmysl také zůstává mezi klíčovými spotřebitelskými oblastmi RF výkonových modulů.
V současné době prochází automobilový průmysl dynamickou elektrickou a digitální revolucí. Rostoucí počet vozidel podléhá elektrifikaci, autonomii a připravenosti k připojení. Všechno se snižuje s rostoucím významem energetické účinnosti a mnohonásobně urychlí transformaci automobilového průmyslu. Důležitým aspektem, který bude pro uskutečnění této transformace zásadní, je však RF výkonový polovodič, který hraje klíčovou roli při povolování EV a hybridních EV (HEV).
Přední světoví výrobci automobilů, kteří se podílejí na posunu „nulových emisí“ v tomto odvětví, vyvíjejí pozoruhodné úsilí při rozšiřování svých projektů elektrifikace vozidel. Výzkumy založené na výzkumu naznačují, že většina výrobců OEM se významně zaměřuje na cíle pro EV a HEV, kterých má být dosaženo v roce 2025. Tento scénář jasně ukazuje na významné příležitosti pro vysoce účinné vysokofrekvenční polovodiče, které by účinně fungovaly při zvýšených teplotách. Výrobci vysokofrekvenčních výkonových modulů se tak neustále zaměřují na vývoj produktů založených na technologiích SiC (karbid křemíku), GaN (nitrid galia) a WBG (wide band-gap).
GaN se objevuje jako volba materiálu pro RF výkonové polovodiče
Navzdory řadě snah o výzkum a vývoj, které převládají v oblasti polovodičů WBG, zůstala varianta SiC tradiční volbou pro EV a HEV v nedávné minulosti. Na druhé straně však SiC již dorazil do fáze zralosti na trhu a je zpochybňován jinými konkurenčními technologiemi, které se nad ním prosazují - zejména v případě výkonové elektroniky a dalších náročných aplikací v elektrických a hybridních elektrických vozidlech.
Zatímco EV a HEV obvykle využívají pro regulaci DC / DC převodníků v hnacím ústrojí vysokofrekvenční polovodiče založené na SiC, doba přechodu má tendenci omezovat jejich spínací frekvence mezi 10 kHz a 100 kHz. V současné době téměř každý výrobce automobilů po celém světě vyvíjí úsilí v oblasti inovativních návrhů GaN RF výkonových polovodičů.
Zavedení polovodiče GaN slibovalo potenciální překonání této dlouhodobé výzvy tím, že umožnilo spínací čas v rozsahu nanosekund a provoz při teplotách až 200 ° C. Rychlejší funkce polovodičů GaN vede k vysoké spínací frekvenci a tím k nízkým spínacím ztrátám. Elektronický objem s nižším výkonem se navíc promítá do snížení celkové hmotnosti, což následně podporuje nízkou hmotnost a efektivnější ekonomiku.
Několik studií obhajuje de facto potenciál polovodičů na bázi GaN pro vysoký výkon při vysoké rychlosti. Přechod do nové éry výkonové elektroniky, která by nejlépe doplnila cíl EV a HEV, klíčových atributů polovodičových materiálů GaN, jako jsou vynikající spínací rychlost, vysoké provozní teploty, menší ztráty spínáním a vodivostí, kompaktní rozměry balení a potenciální náklady konkurenceschopnosti, bude i nadále umisťovat RF polovodiče založené na GaN nad všechny ostatní protějšky.
Potenciální výzvy omezující rozsah RF Power Semiconductor v EV a HEV
Navzdory všem inovacím a pozitivním výsledkům vstupujícím na trhy stále zůstává několik výzev jako překážky funkčnosti vysokofrekvenčního polovodiče v elektrických vozidlech. Koneckonců, řízení vysoce výkonné komponenty během nanosekund je složitá práce a přináší řadu potíží, které je ještě třeba vyřešit. Jedním z nejvýznamnějších úkolů je zlepšení hodnocení napětí. Zlepšení efektivní provozuschopnosti při vyšších teplotách bez změny konvenčních návrhů je další důležitou výzvou, která nadále zachycuje zájmy výzkumu a vývoje v prostoru RF polovodičů.
Skutečnost opakovaně zdůrazňuje, že aplikace výkonových elektronických modulů v EV a HEV jsou velmi náročné a jejich výkon se spoléhá nejen na inovace založené na napětí a výkonu. Neustálý tlak na zlepšení konstrukčních a konstrukčních technologií zajišťuje odolnost, spolehlivost a tepelný odpor vysokofrekvenčních zařízení v hybridních a čistých / bateriových elektrických vozidlech.
Obal přitahuje pozornost
Zatímco zkreslení okolních elektronických součástek bylo dalším faktorem zpochybňujícím vhodnost RF polovodičových zařízení v konstrukcích EV, EMC (epoxidová formovací hmota) balení polovodičů se ukázalo jako vysoce lukrativní oblast výzkumu, protože umožňuje provoz bez narušení sousedních elektronických součástek.
Navíc, ačkoliv jsou již přetvarované RF výkonové moduly vnímány jako hlavní proud blízké budoucnosti, návrhy mají stále prostor pro zlepšení, pokud jde o řízení tepla. Přední společnosti v oblasti polovodičů RF tak zdůrazňují rozšíření svých snah týkajících se obalů s cílem dosáhnout vyšší spolehlivosti pro použití v elektrických vozidlech.
Lepší budoucnost pro WBG - Existuje nějaká?
Na pozadí zralosti SiC a prokázané nadřazenosti GaN však trh nedokáže vyřešit problémy se spolehlivostí spojené s WBG, což z dlouhodobého hlediska nakonec omezuje pronikání polovodičů FR typu WBG na trh. Jediný způsob, jak dosáhnout inženýrství robustnějších polovodičů typu WBG, spočívá v hlubším pochopení jejich poruchových mechanismů v drsných provozních podmínkách. Odborníci se rovněž domnívají, že WBG může dosáhnout zralosti na trhu bez konkrétní strategické podpory, která by obnovila jejich spolehlivost pro další využití.
Co dělají průmysloví monstra
Společnost Wolfspeed, americká společnost Cree Inc. se specializací na prémiové SiC a GaN RF energetické produkty, nedávno uvedla na trh nový produkt, který přináší více než 75% snížení ztrát invertorů hnacího ústrojí EV. S takovou vylepšenou účinností budou inženýři pravděpodobně objevovat nové parametry, které budou inovovat, pokud jde o využití baterie, dojezd, design, řízení teploty a balení.
Vysokonapěťové obvody střídačů v elektrických a hybridních elektrických vozidlech generují velké množství tepla a tento problém je třeba řešit účinným chladicím mechanismem. Výzkum opakovaně doporučuje, aby snížení velikosti a hmotnosti střídačů bylo klíčem k dosažení lepšího chlazení automobilových komponentů v EV a HEV.
Podobně se většina lídrů v oboru (například Hitachi, Ltd.) nadále zaměřuje na hmotnost a velikost invertoru pomocí technologie dvojitého chlazení, která k přímému chlazení požadované vysoké teploty využívá buď kapalinu, nebo vzduch. napěťový RF napájecí modul. Takový mechanismus také umožňuje zvýšit kompaktnost a flexibilitu celkového designu, a tím i úsilí o snížení ztrát při výrobě energie.
Těšíme se na důležitost kompaktního designu pro zvýšení použitelnosti vysokofrekvenčního polovodiče v elektrických vozidlech, jako ultrakompaktní měnič Mitsubishi SiC se stává průkopníkem. Společnost Mitsubishi Electric Corporation vyvinula tento ultrakompaktní vysokofrekvenční napájecí produkt pro hybridní elektromobily a prohlašuje, že je vůbec nejmenším zařízením SiC svého druhu na světě. Snížený objem balení tohoto zařízení spotřebovává podstatně méně místa v interiéru vozidla, a tím podporuje vyšší palivovou a energetickou účinnost. Komercializace zařízení se očekává v příštích několika letech. Společnost bude částečně podporována organizací New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japonsko) a brzy také zahájí masovou výrobu ultrakompaktního měniče SiC.
V loňském roce byla na trh uvedena první revoluční polní programovatelná řídicí jednotka (FPCU) jako nová polovodičová architektura, která může být potenciálně zodpovědná za zvýšení dojezdu a výkonu elektrických a hybridních elektrických vozidel. Toto vysokofrekvenční polovodičové zařízení je navrženo společností Silicon Mobility se sídlem ve Francii s cílem umožnit stávajícím technologiím EV a HEV dosáhnout jejich maximálního potenciálu. Výrobním partnerem společnosti Silicon Mobility při vývoji FPCU je americký výrobce polovodičů - GlobalFoundries.
Poptávka RF Power Semiconductor k nárůstu v asijsko-pacifickém regionu
Vzhledem k tomu, že svět rychle přechází na nízkouhlíkové zdroje energie, aby dosáhl energeticky účinné přepravy, je tlak na minimalizaci uhlíkové stopy na energeticky úsporná vozidla ve výstavbě. I když byla masová výroba zahájena zhruba před deseti lety, trh s elektromobily již předstihuje trh s konvenčními vozidly, která jsou poháněna spalovacím motorem ICE. Tempo expanze bývalý je údajně téměř 10X to později a koncem roku 2040, více než 1/3 rd z celkového prodeje nových vozů budou účtovány pomocí elektromobilů.
Nejnovější údaje Čínské asociace výrobců automobilů naznačují, že pouze v Číně se v roce 2016 prodalo více než půl milionu elektromobilů, které převážně zahrnovaly užitková vozidla a autobusy. Zatímco Čína z dlouhodobého hlediska zůstane největším trhem pro elektromobily, míra výroby elektromobilů byla v celé asijsko-pacifické oblasti trvale vysoká.
Kromě významně vzkvétajícího odvětví spotřební elektroniky byl region v poslední době svědkem značného růstu trhu s elektromobily, což vytváří silnou příležitost pro penetraci vysokofrekvenčních polovodičů, nejlépe založených na GaN.
Globální ocenění trhu s vysokofrekvenčními polovodiči je zhruba 12 miliard USD (ke konci roku 2018). S průlomovými příležitostmi vyplývajícími z nástupu technologie 5G, rozsáhlým přijetím infrastruktury bezdrátové sítě a technologie IIoT (průmyslový internet věcí), prosperující vyhlídky na prostředí spotřební elektroniky a rostoucí prodeje elektrických vozidel (EV), tržby na trhu RF výkonových polovodičů pravděpodobně do roku 2027 porostou působivou 12% složenou roční mírou růstu.
Aditi Yadwadkar je zkušená autorka průzkumu trhu a rozsáhle se věnuje elektronickému a polovodičovému průmyslu. Ve společnosti Future Market Insights (FMI) úzce spolupracuje s výzkumným týmem Electronics and Semiconductor, aby sloužila potřebám klientů z celého světa. Tyto poznatky vycházejí z nedávné studie FMI o trhu RF Power Semiconductor Market .