Pourquoi le marché des appareils électriques est-il si chaud en ce moment ?

L’adoption croissante des véhicules électriques (VE) et des sources d’énergie renouvelables met en lumière les dispositifs à semi-conducteurs de puissance. Ces dispositifs électriques ont toujours été essentiels pour déterminer l’efficacité de divers systèmes, depuis les petits appareils électroniques ménagers jusqu’aux équipements utilisés dans l’espace. Mais alors que les appels à la réduction des émissions de carbone se font plus forts, le marché de ces puces continue de prospérer, passant de 41.81 milliards de dollars cette année à 49.23 milliards de dollars d'ici 2028, selon Intelligence du Mordor.

L'explosion des applications mobiles ainsi que la croissance des marchés des véhicules électriques, des énergies renouvelables et du cloud computing entraînent une demande pour des SoC et des systèmes plus complexes et plus efficaces. Cela entraîne à son tour une demande d’efficacité et de densité de puissance accrues dans les dispositifs électriques. Des matériaux en carbure de silicium (SiC) et en nitrure de gallium (GaN) sont adoptés pour relever ce défi, en fournissant des dispositifs plus efficaces avec une densité de puissance plus élevée, mais avec une complexité de conception accrue. Poursuivez votre lecture pour en savoir plus sur les éléments nécessaires au développement de semi-conducteurs de puissance capables de convertir et de contrôler efficacement l'énergie électrique.

Les nouveaux matériaux apportent une plus grande efficacité dans des formats plus petits

Les commutateurs à semi-conducteurs de puissance et les mécanismes de contrôle transfèrent l'énergie d'une forme à une autre, fournissant une alimentation régulée et contrôlée à un système final. Traditionnellement, les dispositifs de puissance ont été développés avec la technologie des semi-conducteurs à oxyde métallique (MOS). Par exemple, les MOSFET de puissance (ou transistors à effet de champ MOS) contrôlent un courant ou une puissance élevé dans les circuits et sont couramment trouvés, en tant que composants discrets, dans les alimentations à découpage et les contrôleurs de moteur. Les circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC), intégrés dans des puces de silicium standard ou utilisés comme dispositifs autonomes, remplissent des fonctions telles que la conversion CC-CC, le chargement de la batterie et la mise à l'échelle de la tension. Les PMIC sont un marché basé sur les MOS.

Cependant, le SiC et le GaN sont désormais adoptés en raison de leur plus faible résistivité, ainsi que de leur capacité à fonctionner à des températures plus élevées et à utiliser des fréquences de commutation plus élevées. Les deux matériaux offrent une efficacité et une densité de puissance plus élevées. Le SiC suscite de plus en plus d'intérêt pour les véhicules électriques et les véhicules électriques hybrides rechargeables et est étudié pour les systèmes de transport plus importants, tels que les trains, les camions, les avions et les bateaux. D’ici la fin de la décennie, le SiC devrait devenir le matériau leader dans les dispositifs électriques. Les concepteurs de chargeurs pour ordinateurs portables passent du MOS au GaN, car l'alimentation électrique peut être plus petite et plus efficace avec une plus grande fiabilité.

Pour optimiser la puissance, l'aspect le plus critique en termes d'efficacité est la résistance ON. La résistance provoque de la chaleur, ce qui représente une perte de puissance. Lorsque le transistor est passant, quelle est la résistance de l’entrée à la sortie ? Par rapport au MOS, le SiC et le GaN ont tous deux une résistance inférieure, ce qui les rend attrayants pour accroître l'efficacité des systèmes.

La recherche de dispositifs plus efficaces, qu'ils soient en MOS, SiC ou GaN, nécessite des conceptions plus grandes pour réduire la résistance ON. Cela crée à son tour un défi de conception consistant à garantir que l'appareil s'allume uniformément. Si une section de l'appareil met plus de temps à s'allumer, le courant total circule à travers la section qui est allumée, provoquant une densité de courant plus élevée que prévu et ayant un impact sur la fiabilité.

En raison du routage complexe des dispositifs électriques, un certain nombre d’outils spécialisés sont apparus pour analyser avec précision l’efficacité et la fiabilité. Cependant, à mesure que la taille de la conception augmente, bon nombre de ces outils ne disposent pas de la capacité requise. De plus, pour fournir une analyse complète, il est important d’inclure l’impact du paquet.

De toute évidence, avec des pressions concurrentielles incessantes et des objectifs ambitieux en matière de délais de mise sur le marché, il doit exister un moyen plus efficace de créer les dispositifs d'alimentation fiables et durables dont tant d'applications ont besoin.

Solution d'optimisation des appareils électriques

Une solution qui automatise le processus d’optimisation des appareils électriques contribuerait grandement à réduire les délais d’exécution tout en atteignant les objectifs de qualité. Synopsys Power Device WorkBench est une de ces solutions. Conçu pour optimiser les transistors de puissance, Power Device WorkBench améliore l'efficacité et la fiabilité en analysant et en simulant soigneusement la résistance et le flux de courant au sein d'interconnexions métalliques complexes. Les ingénieurs peuvent optimiser leurs conceptions en fonction de paramètres tels que la surface, la fiabilité, le timing et la température. Dotée d'un moteur de simulation à haut débit, la solution peut corriger automatiquement les violations d'électromigration et identifier les points à améliorer dans la présentation d'une conception pour améliorer l'efficacité et le timing.

Il n’est pas étonnant que le marché de l’électronique de puissance soit si en vogue en ce moment. Les appareils électriques sont tout simplement essentiels dans de nombreux domaines. La gamme d’appareils alimentés par batterie que nous utilisons quotidiennement est un moteur clé de leur croissance, tout comme les tendances en plein essor en matière d’électrification des véhicules et d’énergies renouvelables. Cependant, les dispositifs eux-mêmes continuent de devenir de plus en plus complexes à mesure que les ingénieurs s'efforcent de regrouper davantage de fonctionnalités dans des puces uniques tout en répondant aux exigences de performances efficaces et de petites tailles. Une solution complète d'optimisation de l'énergie telle que Power Device WorkBench relève ces défis, ainsi que ceux présentés par les nouveaux matériaux qui contribuent à rendre ces appareils encore plus efficaces.