لماذا يعتبر سوق أجهزة الطاقة ساخنًا جدًا الآن؟

يسلط الاعتماد المتزايد على السيارات الكهربائية ومصادر الطاقة المتجددة الضوء على أجهزة أشباه موصلات الطاقة. لقد كانت أجهزة الطاقة هذه دائمًا ضرورية في تحديد كفاءة مجموعة متنوعة من الأنظمة، بدءًا من الأجهزة الإلكترونية المنزلية الصغيرة وحتى المعدات المستخدمة في الفضاء الخارجي. ولكن مع تزايد الدعوات للحد من انبعاثات الكربون، يستمر سوق هذه الرقائق في الازدهار - من 41.81 مليار دولار أمريكي هذا العام إلى 49.23 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2028، وفقًا لـ ذكاء موردور.

يؤدي الانفجار في تطبيقات الهاتف المحمول إلى جانب النمو في أسواق المركبات الكهربائية والطاقة المتجددة والحوسبة السحابية إلى زيادة الطلب على شرائح وأنظمة SoC أكثر تعقيدًا وكفاءة. وهذا بدوره يؤدي إلى الطلب على زيادة الكفاءة وكثافة الطاقة في أجهزة الطاقة. ويتم اعتماد مواد كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) لمواجهة هذا التحدي، وتوفير أجهزة أكثر كفاءة ذات كثافة طاقة أعلى، ولكن مع زيادة تعقيد التصميم. تابع القراءة لمعرفة المزيد حول ما هو مطلوب لتطوير أشباه موصلات الطاقة التي تحول الطاقة الكهربائية وتتحكم فيها بكفاءة.

توفر المواد الجديدة كفاءة أعلى في عوامل الشكل الأصغر

تقوم مفاتيح أشباه موصلات الطاقة وآليات التحكم بنقل الطاقة من شكل إلى آخر، مما يوفر طاقة منظمة ومتحكم بها إلى النظام النهائي. تقليديًا، تم تطوير أجهزة الطاقة باستخدام تقنية أشباه الموصلات من أكسيد المعدن (MOS). على سبيل المثال، تتحكم وحدات MOSFET الخاصة بالطاقة (أو ترانزستورات التأثير الميداني MOS) في التيار العالي أو الطاقة في الدوائر، وتوجد بشكل شائع، كمكونات منفصلة، ​​في تبديل مصادر الطاقة وأجهزة التحكم في المحركات. تؤدي دوائر إدارة الطاقة (PMICs)، والتي تكون إما مضمنة في شرائح السيليكون القياسية أو تستخدم كأجهزة مستقلة، وظائف تشمل تحويل التيار المستمر إلى تيار مستمر، وشحن البطارية، وقياس الجهد. PMICs هي سوق قائم على MOS.

ومع ذلك، يتم الآن اعتماد SiC و GaN بسبب مقاومتهما المنخفضة، فضلاً عن القدرة على العمل في درجات حرارة أعلى واستخدام ترددات تحويل أعلى. توفر كلتا المادتين كفاءة أعلى وكثافة طاقة. تكتسب SiC اهتمامًا بالمركبات الكهربائية والمركبات الكهربائية الهجينة ويتم استكشافها لأنظمة النقل الأكبر، مثل القطارات والشاحنات والطائرات والقوارب. وبحلول نهاية هذا العقد، من المتوقع أن تصبح كربيد السيليكون المادة الرائدة في أجهزة الطاقة. ينتقل مصممو شواحن الكمبيوتر المحمول من MOS إلى GaN لأن مصدر الطاقة يمكن أن يكون أصغر وأكثر كفاءة مع موثوقية أعلى.

لتحسين الطاقة، فإن الجانب الأكثر أهمية للكفاءة هو مقاومة التشغيل. المقاومة تسبب الحرارة، مما يمثل فقدان الطاقة. عندما يكون الترانزستور في وضع التشغيل، ما هي المقاومة من الدخل إلى الإخراج؟ بالمقارنة مع MOS، يتمتع كل من SiC وGaN بمقاومة أقل، مما يجعلها جذابة لتحقيق كفاءة أكبر في الأنظمة.

يتطلب محرك الأقراص للأجهزة الأكثر كفاءة، سواء في MOS أو SiC أو GaN، تصميمات أكبر لتقليل مقاومة التشغيل. وهذا بدوره يخلق تحديًا في التصميم يتمثل في ضمان تشغيل الجهاز بشكل موحد. إذا استغرق جزء من الجهاز وقتًا أطول لتشغيله، فإن إجمالي التيار يتدفق عبر القسم قيد التشغيل، مما يتسبب في كثافة تيار أعلى من المتوقع ويؤثر على الموثوقية.

نظرًا للتوجيه المعقد لأجهزة الطاقة، ظهر عدد من الأدوات المتخصصة على الساحة لتحليل الكفاءة والموثوقية بدقة. ومع ذلك، مع نمو حجم التصميم، تفتقر العديد من هذه الأدوات إلى القدرة المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك، لتقديم تحليل كامل، من المهم تضمين تأثير الحزمة.

ومن الواضح أنه في ظل الضغوط التنافسية الشديدة والأهداف الصارمة لوقت الوصول إلى السوق، يجب أن تكون هناك طريقة أكثر كفاءة لإنشاء أجهزة طاقة موثوقة وطويلة الأمد تتطلبها العديد من التطبيقات.

الحل لتحسين أجهزة الطاقة

إن الحل الذي يعمل على أتمتة العملية لتحسين أجهزة الطاقة من شأنه أن يقطع شوطًا طويلًا في تقصير أوقات التنفيذ مع تحقيق أهداف الجودة. منضدة عمل جهاز الطاقة سينوبسيس هو أحد هذه الحلول. تم تصميم Power Device WorkBench لتحسين ترانزستورات الطاقة، وهو يعمل على تعزيز الكفاءة والموثوقية من خلال التحليل الدقيق ومحاكاة المقاومة وتدفق التيار داخل الوصلات المعدنية المعقدة. يمكن للمهندسين تحسين تصميماتهم وفقًا للمعايير بما في ذلك المساحة والموثوقية والتوقيت ودرجة الحرارة. يتميز هذا الحل بمحرك محاكاة عالي الإنتاجية، ويمكنه تصحيح انتهاكات الهجرة الكهربائية تلقائيًا وتحديد مكان تحسين تخطيط التصميم لتحسين الكفاءة والتوقيت.

ليس من المستغرب أن يكون سوق إلكترونيات الطاقة ساخنًا للغاية في الوقت الحالي. تعد أجهزة الطاقة ضرورية ببساطة في العديد من المجالات. وتعد مجموعة الأجهزة التي تعمل بالبطاريات والتي نستخدمها يوميًا هي المحرك الرئيسي لنموها، وكذلك الاتجاهات المزدهرة في كهربة المركبات والطاقة المتجددة. ومع ذلك، تستمر الأجهزة نفسها في أن تصبح أكثر تعقيدًا حيث يسعى المهندسون إلى تجميع المزيد من الوظائف في شرائح واحدة مع تلبية متطلبات الأداء الفعال والأحجام الصغيرة. يعالج الحل الكامل لتحسين الطاقة مثل Power Device WorkBench هذه التحديات، بالإضافة إلى التحديات التي تقدمها المواد الجديدة التي تساعد في جعل هذه الأجهزة أكثر كفاءة.