¿Por qué el mercado de dispositivos eléctricos está tan de moda en este momento?

La creciente adopción de vehículos eléctricos (EV) y fuentes de energía renovables está poniendo el foco en los dispositivos semiconductores de potencia. Estos dispositivos de energía siempre han sido esenciales para determinar la eficiencia de una variedad de sistemas, desde pequeños aparatos electrónicos domésticos hasta equipos utilizados en el espacio exterior. Pero a medida que aumentan los llamamientos para reducir las emisiones de carbono, el mercado de estos chips sigue floreciendo: de 41.81 millones de dólares este año a 49.23 millones de dólares en 2028, según Inteligencia Mordor.

La explosión de las aplicaciones móviles junto con el crecimiento de los mercados de vehículos eléctricos, energía renovable y computación en la nube están impulsando la demanda de sistemas y SoC más complejos y eficientes. Esto, a su vez, genera una demanda de mayor eficiencia y densidad de potencia en los dispositivos de potencia. Se están adoptando materiales de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) para abordar el desafío, proporcionando dispositivos más eficientes con mayor densidad de potencia, pero con una mayor complejidad de diseño. Continúe leyendo para obtener más información sobre lo que se necesita para desarrollar semiconductores de potencia que conviertan y controlen eficientemente la energía eléctrica.

Los nuevos materiales aportan mayor eficiencia en factores de forma más pequeños

Los interruptores semiconductores de potencia y los mecanismos de control transfieren energía de una forma a otra, suministrando energía regulada y controlada a un sistema final. Tradicionalmente, los dispositivos de potencia se han desarrollado con tecnología de semiconductores de óxido metálico (MOS). Por ejemplo, los MOSFET de potencia (o transistores de efecto de campo MOS) controlan alta corriente o potencia en circuitos y se encuentran comúnmente, como componentes discretos, en fuentes de alimentación conmutadas y controladores de motores. Los circuitos integrados de administración de energía (PMIC), que están integrados en chips de silicio estándar o se usan como dispositivos independientes, realizan funciones que incluyen conversión de CC a CC, carga de baterías y escalado de voltaje. Los PMIC son un mercado basado en MOS.

Sin embargo, ahora se están adoptando SiC y GaN debido a su menor resistividad, así como a su capacidad para operar a temperaturas más altas y utilizar frecuencias de conmutación más altas. Ambos materiales proporcionan mayor eficiencia y densidad de potencia. El SiC está ganando interés para los vehículos eléctricos y los híbridos enchufables y se está explorando para sistemas de transporte más grandes, como trenes, camiones, aviones y barcos. Se prevé que a finales de la década el SiC será el material líder en dispositivos de energía. Los diseñadores de cargadores de portátiles están pasando de MOS a GaN porque la fuente de alimentación puede ser más pequeña y más eficiente con mayor confiabilidad.

Para optimizar la potencia, el aspecto más crítico para la eficiencia es la resistencia ON. La resistencia provoca calor, lo que representa una pérdida de potencia. Cuando el transistor está encendido, ¿cuál es la resistencia entre la entrada y la salida? En comparación con MOS, SiC y GaN tienen menor resistencia, lo que los hace atractivos para impulsar una mayor eficiencia en los sistemas.

La unidad para dispositivos más eficientes, ya sea en MOS, SiC o GaN, requiere diseños más grandes para reducir la resistencia de encendido. Esto, a su vez, crea el desafío de diseño de garantizar que el dispositivo se encienda de manera uniforme. Si una sección del dispositivo tarda más en encenderse, la corriente total fluye a través de la sección que está encendida, lo que provoca una densidad de corriente mayor a la esperada y afecta la confiabilidad.

Debido al complejo enrutamiento de los dispositivos de energía, han surgido en escena una serie de herramientas especializadas para analizar con precisión la eficiencia y la confiabilidad. Sin embargo, a medida que crece el tamaño del diseño, muchas de estas herramientas carecen de la capacidad necesaria. Además, para proporcionar un análisis completo, es importante incluir el impacto del paquete.

Claramente, con presiones competitivas implacables y objetivos agresivos de tiempo de comercialización en juego, es necesario que exista una manera más eficiente de crear los dispositivos de energía confiables y duraderos que tantas aplicaciones requieren.

Solución para optimizar la potencia de los dispositivos.

Una solución que automatice el proceso para optimizar los dispositivos de energía contribuiría en gran medida a acortar los tiempos de respuesta y al mismo tiempo cumplir con los objetivos de calidad. Banco de trabajo para dispositivos de energía Synopsys es una de esas soluciones. Diseñado para optimizar los transistores de potencia, Power Device WorkBench mejora la eficiencia y la confiabilidad al analizar y simular cuidadosamente la resistencia y el flujo de corriente dentro de interconexiones metálicas complejas. Los ingenieros pueden optimizar sus diseños para parámetros que incluyen área, confiabilidad, sincronización y temperatura. Con un motor de simulación de alto rendimiento, la solución puede corregir automáticamente las violaciones de electromigración e identificar dónde mejorar el diseño de un diseño para mejorar la eficiencia y los tiempos.

No es de extrañar que el mercado de la electrónica de potencia esté tan de moda en estos momentos. Los dispositivos eléctricos son simplemente esenciales en muchas áreas. La variedad de dispositivos que funcionan con baterías que utilizamos a diario son impulsores clave de su crecimiento, al igual que las tendencias en auge en la electrificación de vehículos y las energías renovables. Sin embargo, los dispositivos en sí continúan volviéndose más complejos a medida que los ingenieros se esfuerzan por incluir más funciones en chips individuales y al mismo tiempo satisfacer las demandas de rendimiento eficiente y tamaños pequeños. Una solución completa de optimización de energía como Power Device WorkBench aborda estos desafíos, así como los que presentan los nuevos materiales que ayudan a que estos dispositivos sean aún más eficientes.