Miért olyan forró most az elektromos eszközök piaca?

Az elektromos járművek (EV) és a megújuló energiaforrások növekvő elterjedése a középpontba helyezi az erősáramú félvezető eszközöket. Ezek a tápegységek mindig is elengedhetetlenek voltak a különféle rendszerek hatékonyságának meghatározásában, a kis háztartási elektronikától a világűrben használt berendezésekig. De ahogy a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésére irányuló felhívások egyre hangosabbak, ezeknek a chipeknek a piaca továbbra is virágzik – az idei 41.81 milliárd dollárról 49.23-ra 2028 milliárd dollárra. Mordor intelligencia.

A mobilalkalmazások robbanásszerű növekedése, valamint az elektromos járművek, a megújuló energiaforrások és a számítási felhő piacának növekedése az összetettebb és hatékonyabb SoC-k és rendszerek iránti igényt támasztja alá. Ez viszont megnöveli az energiafelhasználás hatékonyságának és teljesítménysűrűségének növelését. A kihívás kezelésére szilícium-karbid (SiC) és gallium-nitrid (GaN) anyagokat alkalmaznak, amelyek hatékonyabb eszközöket biztosítanak nagyobb teljesítménysűrűséggel, de megnövekedett tervezési összetettséggel. Olvasson tovább, ha többet szeretne megtudni arról, hogy mire van szükség az elektromos áram hatékony átalakításához és vezérléséhez szükséges teljesítmény-félvezetők fejlesztéséhez.

Az új anyagok nagyobb hatékonyságot biztosítanak kisebb alaktényezők mellett

Teljesítmény-félvezető kapcsolók és vezérlőmechanizmusok adják át a teljesítményt egyik formáról a másikra, szabályozott és szabályozott tápellátást biztosítva egy végrendszernek. Hagyományosan a tápegységeket fémoxid félvezető (MOS) technológiával fejlesztették ki. Például a teljesítmény-MOSFET-ek (vagy MOS térhatású tranzisztorok) nagy áramerősséget vagy teljesítményt vezérelnek az áramkörökben, és diszkrét alkatrészekként általában megtalálhatók a kapcsoló tápegységekben és a motorvezérlőkben. Az energiagazdálkodási IC-k (PMIC), amelyek vagy szabványos szilícium chipekbe vannak beágyazva, vagy önálló eszközként használatosak, olyan funkciókat látnak el, mint a DC-DC konverzió, az akkumulátortöltés és a feszültségskálázás. A PMIC-k MOS-alapú piacok.

A SiC és a GaN azonban mostanra alkalmazzák alacsonyabb ellenállásuk, valamint magasabb hőmérsékleten való működésük és magasabb kapcsolási frekvenciák használatának köszönhetően. Mindkét anyag nagyobb hatékonyságot és teljesítménysűrűséget biztosít. A SiC egyre nagyobb érdeklődést mutat az elektromos járművek és a plug-in hibrid EV-k iránt, és kutatások tárgyát képezik nagyobb közlekedési rendszerek, például vonatok, teherautók, repülőgépek és hajók. Az évtized végére a szilícium-karbid az energiaellátó berendezések vezető anyagává válik. A laptoptöltők tervezői a MOS-ről a GaN-re költöznek, mert a tápegység kisebb és hatékonyabb, nagyobb megbízhatóság mellett.

A teljesítmény optimalizálása érdekében a hatékonyság szempontjából a legkritikusabb szempont a BE-ellenállás. Az ellenállás hőt okoz, ami teljesítményveszteséget jelent. Ha a tranzisztor be van kapcsolva, mekkora az ellenállás a bemenet és a kimenet között? A MOS-hoz képest a SiC és a GaN egyaránt alacsonyabb ellenállással rendelkezik, így vonzóvá teszik a rendszerek nagyobb hatékonyságát.

A hatékonyabb eszközök meghajtója, legyen az MOS, SiC vagy GaN, nagyobb konstrukciókat igényel a bekapcsolási ellenállás csökkentése érdekében. Ez viszont tervezési kihívást jelent az eszköz egyenletes bekapcsolásának biztosítására. Ha az eszköz egy részének bekapcsolása hosszabb ideig tart, a teljes áram átfolyik a bekapcsolt szakaszon, ami a vártnál nagyobb áramsűrűséget okoz, és befolyásolja a megbízhatóságot.

Az erősáramú eszközök bonyolult irányítása miatt számos speciális eszköz jelent meg a színen a hatékonyság és a megbízhatóság pontos elemzésére. A tervezési méret növekedésével azonban sok ilyen eszköz nem rendelkezik a szükséges kapacitással. Ezen túlmenően a teljes elemzés érdekében fontos, hogy a csomag hatását is figyelembe vegyük.

Nyilvánvaló, hogy a lankadatlan versenynyomás és az agresszív, piacra kerülési időre vonatkozó célok mellett hatékonyabb módszert kell találni a sok alkalmazás által megkövetelt megbízható, hosszú élettartamú tápegységek létrehozására.

Megoldás az energiaellátó eszközök optimalizálására

Az energiaellátó eszközök optimalizálásának folyamatát automatizáló megoldás nagyban lerövidítené az átfutási időt, miközben teljesíti a minőségi célokat. Synopsys Power Device WorkBench az egyik ilyen megoldás. A teljesítménytranzisztorok optimalizálására tervezett Power Device WorkBench növeli a hatékonyságot és a megbízhatóságot azáltal, hogy gondosan elemzi és szimulálja az ellenállást és az áramáramlást az összetett fém összeköttetéseken belül. A mérnökök optimalizálhatják terveiket olyan paraméterek szerint, mint a terület, a megbízhatóság, az időzítés és a hőmérséklet. A nagy áteresztőképességű szimulációs motorral rendelkező megoldás képes automatikusan kijavítani az elektromigrációs hibákat, és azonosítani tudja, hol lehet javítani a terv elrendezésén a hatékonyság és az időzítés javítása érdekében.

Nem csoda, hogy a teljesítményelektronikai piac miért ilyen forró most. A tápegységek egyszerűen nélkülözhetetlenek sok területen. Az általunk naponta használt akkumulátoros készülékek sokasága kulcsfontosságú hajtóereje növekedésüknek, csakúgy, mint a járművek villamosításának és a megújuló energiaforrásoknak a virágzó trendjei. Maguk az eszközök azonban továbbra is egyre összetettebbek, mivel a mérnökök arra törekednek, hogy több funkcionalitást egyetlen chipbe csomagoljanak, miközben megfelelnek a hatékony teljesítmény és a kis méret iránti igényeknek. Egy teljes energiaoptimalizálási megoldás, mint például a Power Device WorkBench, megbirkózik ezekkel a kihívásokkal, valamint azokkal a kihívásokkal, amelyeket az eszközöket még hatékonyabbá tevő új anyagok jelentenek.