Hvorfor er markedet for strømudstyr så varmt lige nu?

Den stigende udbredelse af elektriske køretøjer (EV'er) og vedvarende energikilder sætter fokus på strømhalvlederenheder. Disse strømenheder har altid været afgørende for at bestemme effektiviteten af ​​en række systemer, fra små husholdningselektronik til udstyr, der bruges i det ydre rum. Men efterhånden som opfordringerne til at reducere kulstofemissionerne bliver højere, fortsætter markedet for disse chips med at blomstre - fra 41.81 milliarder USD i år til 49.23 milliarder USD i 2028, ifølge Mordor intelligens.

Eksplosionen i mobile applikationer sammen med væksten i elbiler, vedvarende energi og cloud computing-markeder driver efterspørgslen efter mere komplekse og effektive SoC'er og systemer. Dette driver igen et krav om øget effektivitet og effekttæthed i strømenheder. Siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) materialer bliver vedtaget for at løse udfordringen, hvilket giver mere effektive enheder med højere effekttæthed, men med øget designkompleksitet. Læs videre for at lære mere om, hvad der er nødvendigt for at udvikle effekthalvledere, der effektivt konverterer og styrer elektrisk strøm.

Nye materialer giver højere effektivitet ved mindre formfaktorer

Effekthalvlederkontakter og kontrolmekanismer overfører strøm fra en form til en anden og leverer reguleret og kontrolleret strøm til et slutsystem. Traditionelt er strømenheder blevet udviklet med metaloxid-halvlederteknologi (MOS). For eksempel styrer effekt-MOSFET'er (eller MOS-felteffekttransistorer) høj strøm eller effekt i kredsløb og findes almindeligvis, som diskrete komponenter, i skiftende strømforsyninger og motorcontrollere. Strømstyrings-IC'er (PMIC'er), som enten er indlejret i standard siliciumchips eller bruges som selvstændige enheder, udfører funktioner, herunder DC-til-DC-konvertering, batteriopladning og spændingsskalering. PMIC'er er et MOS-baseret marked.

Imidlertid bliver SiC og GaN nu vedtaget på grund af deres lavere resistivitet, samt evnen til at fungere ved højere temperaturer og bruge højere koblingsfrekvenser. Begge materialer giver højere effektivitet og effekttæthed. SiC er ved at få interesse for elbiler og plug-in hybrid elbiler og udforskes til større transportsystemer, såsom tog, lastbiler, fly og både. Ved udgangen af ​​årtiet forventes SiC at være det førende materiale inden for strømforsyninger. Designere af bærbare opladere flytter fra MOS til GaN, fordi strømforsyningen kan være mindre og mere effektiv med højere pålidelighed.

For at optimere strømmen er det mest kritiske aspekt for effektivitet ON-modstanden. Modstand forårsager varme, hvilket repræsenterer effekttab. Når transistoren er tændt, hvad er modstanden fra input til output? Sammenlignet med MOS har SiC og GaN begge lavere modstand, hvilket gør dem attraktive til at drive større effektivitet i systemer.

Drevet til mere effektive enheder, uanset om det er i MOS, SiC eller GaN, kræver større designs for at reducere ON-modstanden. Dette skaber igen en designudfordring med at sikre, at enheden tænder ensartet. Hvis en sektion af enheden tager længere tid at tænde, løber den samlede strøm gennem den sektion, der er tændt, hvilket forårsager en højere strømtæthed end forventet og påvirker pålideligheden.

På grund af den komplekse routing af strømenheder er der dukket en række specialiserede værktøjer op på scenen til nøjagtigt at analysere effektivitet og pålidelighed. Men efterhånden som designstørrelsen vokser, mangler mange af disse værktøjer den nødvendige kapacitet. For at give en komplet analyse er det desuden vigtigt at inkludere effekten af ​​pakken.

Det er klart, at med et vedholdende konkurrencepres og aggressive time-to-market-mål på spil, skal der være en mere effektiv måde at skabe de pålidelige, langtidsholdbare strømenheder, som så mange applikationer kræver.

Løsning til optimering af strømenheder

En løsning, der automatiserer processen for at optimere strømforsyningsenheder, ville gå langt i at forkorte ekspeditionstiderne og samtidig levere kvalitetsmål. Synopsys Power Device WorkBench er en sådan løsning. Designet til at optimere effekttransistorer, forbedrer Power Device WorkBench effektivitet og pålidelighed ved omhyggeligt at analysere og simulere modstanden og strømstrømmen i komplekse metalforbindelser. Ingeniører kan optimere deres design for parametre, herunder areal, pålidelighed, timing og temperatur. Med en high-throughput simuleringsmotor kan løsningen automatisk korrigere elektromigreringsovertrædelser og identificere, hvor et designs layout skal forbedres for at forbedre effektiviteten og timingen.

Det er ikke underligt, hvorfor kraftelektronikmarkedet er så varmt lige nu. Strømudstyr er simpelthen essentielt på så mange områder. Den række af batteridrevne enheder, vi bruger dagligt, er nøgledrivere til deres vækst, ligesom de boomende tendenser inden for køretøjselektrificering og vedvarende energi. Selve enhederne bliver dog fortsat mere komplekse, da ingeniører stræber efter at pakke mere funktionalitet ind i enkelte chips og samtidig opfylde kravene til effektiv ydeevne og små størrelser. En komplet strømoptimeringsløsning, såsom Power Device WorkBench, løser disse udfordringer såvel som dem, der præsenteres af nye materialer, der hjælper med at gøre disse enheder endnu mere effektive.