Miksi virtalaitemarkkinat ovat niin kuumat juuri nyt?

Sähköajoneuvojen (EV) ja uusiutuvien energialähteiden lisääntyvä käyttöönotto nostaa valokeilaan tehopuolijohdelaitteisiin. Nämä teholaitteet ovat aina olleet välttämättömiä erilaisten järjestelmien tehokkuuden määrittämisessä pienestä kodin elektroniikasta ulkoavaruudessa käytettäviin laitteisiin. Mutta kun kehotukset vähentää hiilidioksidipäästöjä kovenevat, näiden sirujen markkinat kukoistavat edelleen – tämän vuoden 41.81 miljardista US$49.23 miljardiin vuoteen 2028 mennessä. Mordorin älykkyys.

Mobiilisovellusten räjähdysmäinen kasvu sekä sähköautojen, uusiutuvan energian ja pilvilaskentamarkkinoiden kasvu lisäävät kysyntää monimutkaisemmille ja tehokkaammille SoC:ille ja järjestelmille. Tämä puolestaan ​​lisää tarvetta teholaitteiden tehokkuudelle ja tehotiheydelle. Piikarbidi (SiC) ja galliumnitridi (GaN) materiaalit otetaan käyttöön haasteeseen vastaamiseksi, mikä tarjoaa tehokkaampia laitteita suuremmalla tehotiheydellä, mutta entistä monimutkaisemmalla suunnittelulla. Lue lisää siitä, mitä tarvitaan tehopuolijohteiden kehittämiseen, jotka muuntavat ja ohjaavat tehokkaasti sähkötehoa.

Uudet materiaalit lisäävät tehokkuutta pienemmillä muototekijöillä

Tehopuolijohdekytkimet ja ohjausmekanismit siirtävät tehoa muodosta toiseen ja toimittavat säädeltyä ja ohjattua tehoa loppujärjestelmään. Perinteisesti teholaitteet on kehitetty metallioksidipuolijohdeteknologialla (MOS). Esimerkiksi teho-MOSFETit (tai MOS-kenttätransistorit) ohjaavat suurta virtaa tai tehoa piireissä, ja niitä löytyy yleisesti erillisinä komponentteina kytkentäteholähteistä ja moottorin ohjaimista. Virranhallintapiirit (PMIC), jotka on joko upotettu tavallisiin piisiruihin tai joita käytetään itsenäisinä laitteina, suorittavat toimintoja, mukaan lukien DC-DC-muunnoksen, akun lataamisen ja jännitteen skaalaus. PMIC-markkinat ovat MOS-pohjaisia ​​markkinoita.

Kuitenkin SiC ja GaN otetaan nyt käyttöön niiden alhaisemman resistiivisyyden sekä kyvyn toimia korkeammissa lämpötiloissa ja käyttää korkeampia kytkentätaajuuksia. Molemmat materiaalit tarjoavat suuremman hyötysuhteen ja tehotiheyden. SiC herättää kiinnostusta sähköautoihin ja ladattaviin hybridi-ajoneuvoihin, ja sitä tutkitaan suurempiin liikennejärjestelmiin, kuten juniin, kuorma-autoihin, lentokoneisiin ja veneisiin. Vuosikymmenen loppuun mennessä piikarbidin odotetaan olevan johtava materiaali voimalaitteissa. Kannettavien tietokoneiden laturien suunnittelijat ovat siirtymässä MOS:sta GaN:iin, koska virtalähde voi olla pienempi ja tehokkaampi ja luotettavampi.

Tehon optimoimiseksi kriittisin tehokkuuden näkökohta on ON-vastus. Vastus aiheuttaa lämpöä, mikä edustaa tehohäviötä. Kun transistori on päällä, mikä on vastus tulosta lähtöön? Verrattuna MOS:iin, SiC:llä ja GaN:lla on molemmilla pienempi vastus, mikä tekee niistä houkuttelevia järjestelmien tehostamiseen.

Tehokkaampien MOS-, SiC- tai GaN-laitteiden käyttö vaatii suurempia malleja ON-resistanssin vähentämiseksi. Tämä puolestaan ​​luo suunnitteluhaasteen varmistaa, että laite käynnistyy tasaisesti. Jos laitteen osan käynnistyminen kestää kauemmin, kokonaisvirta kulkee päälle kytketyn osan läpi, mikä aiheuttaa odotettua suuremman virrantiheyden ja vaikuttaa luotettavuuteen.

Teholaitteiden monimutkaisen reitityksen vuoksi paikalle on noussut useita erikoistyökaluja, jotka analysoivat tarkasti tehokkuutta ja luotettavuutta. Suunnittelukoon kasvaessa monilta näistä työkaluista puuttuu kuitenkin vaadittu kapasiteetti. Täydellisen analyysin saamiseksi on lisäksi tärkeää sisällyttää paketin vaikutus.

On selvää, että hellittämättömien kilpailupaineiden ja aggressiivisten markkinoilletulotavoitteiden vuoksi tarvitaan tehokkaampi tapa luoda luotettavia ja pitkäikäisiä teholaitteita, joita monet sovellukset vaativat.

Ratkaisu teholaitteiden optimointiin

Ratkaisu, joka automatisoi teholaitteiden optimointiprosessin, lyhentäisi huomattavasti läpimenoaikoja ja saavuttaisi laatutavoitteet. Synopsys Power Device WorkBench on yksi tällainen ratkaisu. Tehotransistorien optimointiin suunniteltu Power Device WorkBench parantaa tehokkuutta ja luotettavuutta analysoimalla ja simuloimalla huolellisesti vastusta ja virtaa monimutkaisissa metalliliitoksissa. Insinöörit voivat optimoida suunnittelunsa parametrien mukaan, mukaan lukien alue, luotettavuus, ajoitus ja lämpötila. Tehokkaan simulointimoottorin sisältävä ratkaisu voi automaattisesti korjata sähköisen siirtymisen rikkomukset ja tunnistaa, missä suunnittelun asettelua voidaan parantaa tehokkuuden ja ajoituksen parantamiseksi.

Ei ole ihme, miksi tehoelektroniikan markkinat ovat niin kuumat juuri nyt. Virtalaitteet ovat yksinkertaisesti välttämättömiä niin monilla alueilla. Joukko akkukäyttöisiä laitteita, joita käytämme päivittäin, ovat avainasemassa niiden kasvussa, samoin kuin ajoneuvojen sähköistyksen ja uusiutuvan energian kukoistavat trendit. Itse laitteista tulee kuitenkin yhä monimutkaisempia, kun insinöörit pyrkivät pakata enemmän toimintoja yksittäisiin siruihin samalla kun ne täyttävät tehokkaan suorituskyvyn ja pienen koon vaatimukset. Täydellinen tehon optimointiratkaisu, kuten Power Device WorkBench, vastaa näihin haasteisiin sekä uusien materiaalien tuomiin haasteisiin, jotka auttavat tekemään näistä laitteista entistä tehokkaampia.