Warum ist der Markt für Stromversorgungsgeräte derzeit so heiß?

Die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen (EVs) und erneuerbaren Energiequellen rückt Leistungshalbleitergeräte in den Mittelpunkt. Diese Leistungsgeräte waren schon immer von entscheidender Bedeutung für die Bestimmung der Effizienz einer Vielzahl von Systemen, von kleinen Haushaltselektronikgeräten bis hin zu Geräten, die im Weltraum verwendet werden. Doch während die Rufe nach einer Reduzierung der CO41.81-Emissionen immer lauter werden, floriert der Markt für diese Chips weiter – von 49.23 Milliarden US-Dollar in diesem Jahr auf 2028 Milliarden US-Dollar im Jahr XNUMX Mordor Intelligence.

Die explosionsartige Zunahme mobiler Anwendungen sowie das Wachstum der Märkte für Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien und Cloud Computing steigern die Nachfrage nach komplexeren und effizienteren SoCs und Systemen. Dies wiederum führt zu einer Nachfrage nach höherer Effizienz und Leistungsdichte bei Leistungsgeräten. Um dieser Herausforderung zu begegnen, werden Materialien aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) eingesetzt, die effizientere Geräte mit höherer Leistungsdichte, aber auch höherer Designkomplexität bieten. Lesen Sie weiter, um mehr darüber zu erfahren, was zur Entwicklung von Leistungshalbleitern erforderlich ist, die elektrische Energie effizient umwandeln und steuern.

Neue Materialien sorgen für höhere Effizienz bei kleineren Formfaktoren

Leistungshalbleiterschalter und Steuermechanismen übertragen Energie von einer Form in eine andere und versorgen ein Endsystem mit geregelter und kontrollierter Energie. Traditionell wurden Leistungsgeräte mit Metalloxid-Halbleiter-Technologie (MOS) entwickelt. Beispielsweise steuern Leistungs-MOSFETs (oder MOS-Feldeffekttransistoren) hohe Ströme oder Leistungen in Schaltkreisen und sind als diskrete Komponenten häufig in Schaltnetzteilen und Motorsteuerungen zu finden. Power-Management-ICs (PMICs), die entweder in Standard-Siliziumchips eingebettet sind oder als eigenständige Geräte verwendet werden, übernehmen Funktionen wie Gleichstrom-Gleichstrom-Umwandlung, Batterieladung und Spannungsskalierung. PMICs sind ein MOS-basierter Markt.

Aufgrund ihres geringeren spezifischen Widerstands sowie der Fähigkeit, bei höheren Temperaturen zu arbeiten und höhere Schaltfrequenzen zu verwenden, werden jedoch mittlerweile SiC und GaN eingesetzt. Beide Materialien bieten eine höhere Effizienz und Leistungsdichte. SiC gewinnt zunehmend an Interesse für Elektrofahrzeuge und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge und wird für größere Transportsysteme wie Züge, Lastwagen, Flugzeuge und Boote erforscht. Es wird erwartet, dass SiC bis zum Ende des Jahrzehnts das führende Material in Leistungsgeräten sein wird. Entwickler von Laptop-Ladegeräten wechseln von MOS zu GaN, da die Stromversorgung kleiner, effizienter und zuverlässiger sein kann.

Zur Optimierung der Leistung ist der EIN-Widerstand der wichtigste Aspekt für die Effizienz. Widerstand verursacht Wärme, was einen Leistungsverlust darstellt. Wie groß ist der Widerstand vom Eingang zum Ausgang, wenn der Transistor eingeschaltet ist? Im Vergleich zu MOS haben SiC und GaN beide einen geringeren Widerstand, was sie für die Steigerung der Effizienz in Systemen attraktiv macht.

Das Streben nach effizienteren Geräten, sei es in MOS, SiC oder GaN, erfordert größere Designs, um den ON-Widerstand zu reduzieren. Dies wiederum stellt eine Designherausforderung dar, um sicherzustellen, dass sich das Gerät gleichmäßig einschaltet. Wenn das Einschalten eines Abschnitts des Geräts länger dauert, fließt der gesamte Strom durch den eingeschalteten Abschnitt, was zu einer höheren Stromdichte als erwartet führt und die Zuverlässigkeit beeinträchtigt.

Aufgrund der komplexen Verlegung von Stromversorgungsgeräten sind eine Reihe spezieller Tools entstanden, mit denen sich Effizienz und Zuverlässigkeit genau analysieren lassen. Mit zunehmender Designgröße mangelt es vielen dieser Tools jedoch an der erforderlichen Kapazität. Für eine vollständige Analyse ist es außerdem wichtig, die Auswirkungen des Pakets einzubeziehen.

Angesichts des unerbittlichen Wettbewerbsdrucks und der anspruchsvollen Zeitvorgaben für die Markteinführung muss es eindeutig einen effizienteren Weg geben, die zuverlässigen, langlebigen Stromversorgungsgeräte zu entwickeln, die für so viele Anwendungen erforderlich sind.

Lösung zur Optimierung von Leistungsgeräten

Eine Lösung, die den Prozess zur Optimierung von Stromversorgungsgeräten automatisiert, würde wesentlich dazu beitragen, die Durchlaufzeiten zu verkürzen und gleichzeitig die Qualitätsziele zu erreichen. Synopsys Power Device WorkBench ist eine solche Lösung. Power Device WorkBench wurde zur Optimierung von Leistungstransistoren entwickelt und steigert die Effizienz und Zuverlässigkeit durch sorgfältige Analyse und Simulation des Widerstands und des Stromflusses in komplexen Metallverbindungen. Ingenieure können ihre Entwürfe hinsichtlich Parametern wie Fläche, Zuverlässigkeit, Timing und Temperatur optimieren. Ausgestattet mit einer Simulations-Engine mit hohem Durchsatz kann die Lösung Verstöße gegen die Elektromigration automatisch korrigieren und ermitteln, wo das Layout eines Designs verbessert werden muss, um Effizienz und Zeitplanung zu verbessern.

Es ist kein Wunder, dass der Markt für Leistungselektronik derzeit so heiß ist. Leistungsgeräte sind in vielen Bereichen einfach unverzichtbar. Die Vielfalt an batteriebetriebenen Geräten, die wir täglich nutzen, ist ein wichtiger Treiber für ihr Wachstum, ebenso wie die boomenden Trends bei der Elektrifizierung von Fahrzeugen und erneuerbaren Energien. Allerdings werden die Geräte selbst immer komplexer, da die Ingenieure bestrebt sind, mehr Funktionalität in einzelne Chips zu packen und gleichzeitig den Anforderungen an effiziente Leistung und kleine Größen gerecht zu werden. Eine vollständige Lösung zur Leistungsoptimierung wie Power Device WorkBench bewältigt diese Herausforderungen sowie die Herausforderungen, die sich aus neuen Materialien ergeben, die dazu beitragen, diese Geräte noch effizienter zu machen.