Miks on toiteseadmete turg praegu nii kuum?

Elektrisõidukite (EV-de) ja taastuvate energiaallikate üha kasvav kasutuselevõtt tõstab tähelepanu jõuliste pooljuhtseadmetele. Need toiteseadmed on alati olnud olulised mitmesuguste süsteemide tõhususe määramisel alates väikesest koduelektroonikast kuni kosmoses kasutatavate seadmeteni. Kuid kuna üleskutsed süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamiseks muutuvad valjemaks, õitseb nende kiipide turg jätkuvalt – 41.81 miljardilt USA dollarilt sel aastal 49.23 miljardile USA dollarile 2028. aastaks. Mordori intelligentsus.

Mobiilirakenduste plahvatuslik kasv koos elektrisõidukite, taastuvenergia ja pilvandmetöötluse turgude kasvuga suurendavad nõudlust keerukamate ja tõhusamate SoC-de ja süsteemide järele. See omakorda suurendab nõudlust toiteseadmete tõhususe ja võimsustiheduse järele. Selle väljakutse lahendamiseks võetakse kasutusele ränikarbiidi (SiC) ja galliumnitriidi (GaN) materjalid, mis pakuvad tõhusamaid ja suurema võimsustihedusega, kuid keerukama disainiga seadmeid. Lugege edasi, et saada lisateavet selle kohta, mida on vaja tõhusalt elektrienergiat muundavate ja juhtivate võimsuspooljuhtide väljatöötamiseks.

Uued materjalid suurendavad efektiivsust väiksemate vormitegurite korral

Toitepooljuhtlülitid ja juhtmehhanismid kannavad võimsust ühelt vormilt teisele, varustades lõppsüsteemi reguleeritud ja kontrollitud toiteallikaga. Traditsiooniliselt on toiteseadmed välja töötatud metalloksiidi pooljuhtide (MOS) tehnoloogiaga. Näiteks toite-MOSFET-id (või MOS-väljatransistorid) juhivad vooluahelates suurt voolu või võimsust ning neid leidub tavaliselt diskreetsete komponentidena lülitustoiteallikates ja mootorikontrollerites. Toitehalduse IC-d (PMIC), mis on kas manustatud tavalistesse ränikiipidesse või mida kasutatakse eraldiseisvate seadmetena, täidavad selliseid funktsioone nagu alalis-alalisvooluks muundamine, aku laadimine ja pinge skaleerimine. PMIC-id on MOS-põhine turg.

Kuid nüüd võetakse kasutusele SiC ja GaN tänu nende väiksemale takistusele, samuti võimele töötada kõrgematel temperatuuridel ja kasutada kõrgemaid lülitussagedusi. Mõlemad materjalid tagavad suurema efektiivsuse ja võimsustiheduse. SiC tunneb huvi EV-de ja pistikühendusega hübriid-EV-de vastu ning seda uuritakse suuremate transpordisüsteemide jaoks, nagu rongid, veoautod, lennukid ja paadid. Eeldatakse, et kümnendi lõpuks on SiC juhtiv materjal jõuseadmetes. Sülearvutite laadijate disainerid liiguvad MOS-ilt GaN-ile, kuna toiteallikas võib olla väiksem ja tõhusam ning suurema töökindlusega.

Võimsuse optimeerimiseks on tõhususe kõige kriitilisem aspekt ON-takistus. Vastupidavus põhjustab soojust, mis tähendab võimsuskadu. Kui transistor on sisse lülitatud, milline on takistus sisendist väljundisse? Võrreldes MOS-iga on SiC-l ja GaN-il mõlemal väiksem takistus, mis muudab need atraktiivseks süsteemide suurema tõhususe suurendamiseks.

Tõhusamate seadmete jaoks, olgu see siis MOS-is, SiC-s või GaN-is, on vaja suuremat konstruktsiooni, et vähendada sisselülitamistakistust. See omakorda tekitab disainiprobleemi, et tagada seadme ühtlane sisselülitamine. Kui seadme mõne osa sisselülitamiseks kulub kauem aega, voolab koguvool läbi sisselülitatud sektsiooni, põhjustades oodatust suurema voolutiheduse ja mõjutades töökindlust.

Tänu toiteseadmete keerukale suunamisele on sündmuskohale ilmunud mitmeid spetsiaalseid tööriistu, mis võimaldavad täpselt analüüsida tõhusust ja töökindlust. Kuid disaini suuruse kasvades puudub paljudel nendel tööriistadel nõutav võimsus. Lisaks on täieliku analüüsi tegemiseks oluline lisada paketi mõju.

On selge, et lakkamatu konkurentsisurve ja agressiivsete turule jõudmise eesmärkide tõttu peab olema tõhusam viis usaldusväärsete ja kauakestvate toiteseadmete loomiseks, mida paljud rakendused nõuavad.

Lahendus toiteseadmete optimeerimiseks

Lahendus, mis automatiseerib toiteseadmete optimeerimise protsessi, aitaks oluliselt lühendada tööaegu, täites samal ajal kvaliteedieesmärke. Sünopsys Power Device WorkBench on üks selline lahendus. Toitetransistoride optimeerimiseks loodud Power Device WorkBench suurendab tõhusust ja töökindlust, analüüsides ja simuleerides hoolikalt takistust ja vooluvoolu keerulistes metallühendustes. Insenerid saavad oma disainilahendusi optimeerida vastavalt parameetritele, sealhulgas pindala, töökindlus, ajastus ja temperatuur. Suure läbilaskevõimega simulatsioonimootoriga lahendus suudab automaatselt parandada elektromigratsiooni rikkumisi ja tuvastada, kus parandada disaini paigutust, et parandada tõhusust ja ajastust.

Pole ime, miks jõuelektroonika turg on praegu nii kuum. Toiteseadmed on paljudes valdkondades lihtsalt hädavajalikud. Akutoitel seadmed, mida me igapäevaselt kasutame, on nende kasvu peamiseks tõukejõuks, nagu ka sõidukite elektrifitseerimise ja taastuvenergia õitsengud. Seadmed ise muutuvad aga jätkuvalt keerukamaks, kuna insenerid püüavad pakkida rohkem funktsioone ühte kiipi, täites samal ajal tõhusa jõudluse ja väikeste suuruste nõudeid. Täielik võimsuse optimeerimise lahendus, nagu Power Device WorkBench, tegeleb nende väljakutsetega, aga ka uute materjalidega, mis aitavad neid seadmeid veelgi tõhusamaks muuta.