Γιατί η αγορά ηλεκτρικών συσκευών είναι τόσο καυτή αυτή τη στιγμή;

Η αυξανόμενη υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων (EVs) και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας θέτει το προσκήνιο στις ηλεκτροκίνητες συσκευές ημιαγωγών. Αυτές οι συσκευές ισχύος ήταν πάντα απαραίτητες για τον προσδιορισμό της αποτελεσματικότητας μιας ποικιλίας συστημάτων, από μικρά οικιακά ηλεκτρονικά μέχρι εξοπλισμό που χρησιμοποιείται στο διάστημα. Ωστόσο, καθώς οι εκκλήσεις για μείωση των εκπομπών άνθρακα γίνονται όλο και πιο δυνατές, η αγορά για αυτά τα τσιπ συνεχίζει να ανθίζει—από 41.81 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ φέτος σε 49.23 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ έως το 2028, σύμφωνα με Μόρντορ ευφυΐα.

Η έκρηξη στις εφαρμογές για κινητά μαζί με την ανάπτυξη των αγορών EV, ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και υπολογιστικού νέφους οδηγούν τις απαιτήσεις για πιο σύνθετα και αποτελεσματικά SoC και συστήματα. Αυτό με τη σειρά του οδηγεί σε ζήτηση για αυξημένη απόδοση και πυκνότητα ισχύος σε συσκευές ισχύος. Υλικά καρβιδίου του πυριτίου (SiC) και νιτριδίου του γαλλίου (GaN) υιοθετούνται για την αντιμετώπιση της πρόκλησης, παρέχοντας πιο αποτελεσματικές συσκευές με υψηλότερη πυκνότητα ισχύος, αλλά με αυξημένη πολυπλοκότητα σχεδιασμού. Διαβάστε παρακάτω για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το τι χρειάζεται για την ανάπτυξη ημιαγωγών ισχύος που μετατρέπουν και ελέγχουν αποτελεσματικά την ηλεκτρική ενέργεια.

Τα νέα υλικά προσφέρουν υψηλότερη απόδοση σε μικρότερους παράγοντες μορφής

Οι διακόπτες ισχύος ημιαγωγών και οι μηχανισμοί ελέγχου μεταφέρουν ισχύ από τη μια μορφή στην άλλη, παρέχοντας ρυθμιζόμενη και ελεγχόμενη ισχύ σε ένα τελικό σύστημα. Παραδοσιακά, οι συσκευές ισχύος έχουν αναπτυχθεί με τεχνολογία ημιαγωγών μεταλλικών οξειδίων (MOS). Για παράδειγμα, τα MOSFET ισχύος (ή τα τρανζίστορ πεδίου MOS) ελέγχουν υψηλό ρεύμα ή ισχύ στα κυκλώματα και βρίσκονται συνήθως, ως διακριτά εξαρτήματα, σε τροφοδοτικά μεταγωγής και σε ελεγκτές κινητήρα. Τα IC διαχείρισης ενέργειας (PMIC), τα οποία είτε είναι ενσωματωμένα σε τυπικά τσιπ πυριτίου είτε χρησιμοποιούνται ως αυτόνομες συσκευές, εκτελούν λειτουργίες όπως μετατροπή DC σε DC, φόρτιση μπαταρίας και κλιμάκωση τάσης. Τα PMIC είναι μια αγορά που βασίζεται στο MOS.

Ωστόσο, το SiC και το GaN υιοθετούνται τώρα λόγω της χαμηλότερης ειδικής αντίστασής τους, καθώς και της ικανότητάς τους να λειτουργούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες και να χρησιμοποιούν υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής. Και τα δύο υλικά παρέχουν υψηλότερη απόδοση και πυκνότητα ισχύος. Το SiC κερδίζει ενδιαφέρον για EV και plug-in υβριδικά EV και διερευνάται για μεγαλύτερα συστήματα μεταφορών, όπως τρένα, φορτηγά, αεροπλάνα και σκάφη. Μέχρι το τέλος της δεκαετίας, το SiC αναμένεται να είναι το κορυφαίο υλικό στις συσκευές ισχύος. Οι σχεδιαστές φορτιστών φορητών υπολογιστών μετακινούνται από το MOS στο GaN επειδή το τροφοδοτικό μπορεί να είναι μικρότερο και πιο αποτελεσματικό με μεγαλύτερη αξιοπιστία.

Για τη βελτιστοποίηση της ισχύος, η πιο κρίσιμη πτυχή για την απόδοση είναι η αντίσταση ΟΝ. Η αντίσταση προκαλεί θερμότητα, αντιπροσωπεύοντας απώλεια ισχύος. Όταν το τρανζίστορ είναι ενεργοποιημένο, ποια είναι η αντίσταση από την είσοδο στην έξοδο; Σε σύγκριση με το MOS, το SiC και το GaN έχουν και τα δύο χαμηλότερη αντίσταση, γεγονός που τα καθιστά ελκυστικά για μεγαλύτερη απόδοση στα συστήματα.

Η μονάδα δίσκου για πιο αποδοτικές συσκευές, είτε σε MOS, SiC ή GaN, απαιτεί μεγαλύτερα σχέδια για τη μείωση της αντίστασης ON. Αυτό με τη σειρά του δημιουργεί μια πρόκληση σχεδιασμού για τη διασφάλιση της ομοιόμορφης ενεργοποίησης της συσκευής. Εάν ένα τμήμα της συσκευής χρειάζεται περισσότερο χρόνο για να ενεργοποιηθεί, το συνολικό ρεύμα διαρρέει το τμήμα που είναι ενεργοποιημένο, προκαλώντας πυκνότητα ρεύματος μεγαλύτερη από την αναμενόμενη και επηρεάζοντας την αξιοπιστία.

Λόγω της πολύπλοκης δρομολόγησης των συσκευών ισχύος, έχουν εμφανιστεί στη σκηνή μια σειρά από εξειδικευμένα εργαλεία για την ακριβή ανάλυση της απόδοσης και της αξιοπιστίας. Ωστόσο, καθώς το μέγεθος του σχεδιασμού μεγαλώνει, πολλά από αυτά τα εργαλεία δεν διαθέτουν την απαιτούμενη χωρητικότητα. Επιπλέον, για να παρέχετε μια πλήρη ανάλυση, είναι σημαντικό να συμπεριλάβετε τον αντίκτυπο του πακέτου.

Σαφώς, με τις αδυσώπητες ανταγωνιστικές πιέσεις και τους επιθετικούς στόχους χρόνου για την αγορά, πρέπει να υπάρχει ένας πιο αποτελεσματικός τρόπος για τη δημιουργία των αξιόπιστων, μακράς διαρκείας συσκευών ισχύος που απαιτούν τόσες πολλές εφαρμογές.

Λύση για βελτιστοποίηση συσκευών ισχύος

Μια λύση που αυτοματοποιεί τη διαδικασία για τη βελτιστοποίηση των συσκευών ισχύος θα συντόμιζε σημαντικά τους χρόνους διεκπεραίωσης και παράλληλα θα επιτύχει στόχους ποιότητας. Synopsys Power Device WorkBench είναι μια τέτοια λύση. Σχεδιασμένο για τη βελτιστοποίηση των τρανζίστορ ισχύος, το Power Device WorkBench ενισχύει την απόδοση και την αξιοπιστία αναλύοντας προσεκτικά και προσομοιώνοντας την αντίσταση και τη ροή ρεύματος σε πολύπλοκες μεταλλικές διασυνδέσεις. Οι μηχανικοί μπορούν να βελτιστοποιήσουν τα σχέδιά τους για παραμέτρους όπως η περιοχή, η αξιοπιστία, ο χρονισμός και η θερμοκρασία. Διαθέτοντας έναν κινητήρα προσομοίωσης υψηλής απόδοσης, η λύση μπορεί να διορθώσει αυτόματα τις παραβιάσεις της ηλεκτρομετανάστευσης και να εντοπίσει πού να βελτιώσει τη διάταξη ενός σχεδίου για τη βελτίωση της απόδοσης και του χρονισμού.

Δεν είναι περίεργο γιατί η αγορά ηλεκτρονικών ισχύος είναι τόσο καυτή αυτή τη στιγμή. Οι συσκευές ισχύος είναι απλώς απαραίτητες σε τόσους πολλούς τομείς. Η σειρά συσκευών με μπαταρίες που χρησιμοποιούμε καθημερινά είναι βασικοί μοχλοί για την ανάπτυξή τους, όπως και οι ανθητικές τάσεις στην ηλεκτροκίνηση των οχημάτων και τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Ωστόσο, οι ίδιες οι συσκευές συνεχίζουν να γίνονται πιο περίπλοκες καθώς οι μηχανικοί προσπαθούν να συσκευάσουν περισσότερες λειτουργίες σε μεμονωμένα τσιπ ενώ ικανοποιούν τις απαιτήσεις για αποτελεσματική απόδοση και μικρά μεγέθη. Μια ολοκληρωμένη λύση βελτιστοποίησης ενέργειας, όπως το Power Device WorkBench, αντιμετωπίζει αυτές τις προκλήσεις, καθώς και αυτές που παρουσιάζονται από νέα υλικά που βοηθούν να γίνουν αυτές οι συσκευές ακόμα πιο αποτελεσματικές.