Perché il mercato dei dispositivi di potenza è così caldo in questo momento?

La crescente adozione di veicoli elettrici (EV) e di fonti di energia rinnovabile sta puntando i riflettori sui dispositivi a semiconduttore di potenza. Questi dispositivi di potenza sono sempre stati essenziali nel determinare l'efficienza di una varietà di sistemi, dai piccoli dispositivi elettronici domestici alle apparecchiature utilizzate nello spazio. Ma man mano che le richieste di riduzione delle emissioni di carbonio si fanno più forti, il mercato di questi chip continua a prosperare: da 41.81 miliardi di dollari quest’anno a 49.23 miliardi di dollari entro il 2028, secondo Intelligenza Mordor.

L’esplosione delle applicazioni mobili insieme alla crescita dei mercati dei veicoli elettrici, delle energie rinnovabili e del cloud computing stanno spingendo la domanda di SoC e sistemi più complessi ed efficienti. Ciò a sua volta determina la richiesta di maggiore efficienza e densità di potenza nei dispositivi di potenza. Per affrontare la sfida si stanno adottando materiali in carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN), fornendo dispositivi più efficienti con una maggiore densità di potenza, ma con una maggiore complessità di progettazione. Continua a leggere per saperne di più su ciò che è necessario per sviluppare semiconduttori di potenza che convertano e controllino in modo efficiente l'energia elettrica.

I nuovi materiali offrono una maggiore efficienza con fattori di forma più piccoli

Gli interruttori a semiconduttore di potenza e i meccanismi di controllo trasferiscono la potenza da una forma all'altra, fornendo potenza regolata e controllata a un sistema finale. Tradizionalmente, i dispositivi di potenza sono stati sviluppati con la tecnologia dei semiconduttori a ossido di metallo (MOS). Ad esempio, i MOSFET di potenza (o transistor MOS ad effetto di campo) controllano la corrente o la potenza elevata nei circuiti e si trovano comunemente, come componenti discreti, negli alimentatori a commutazione e nei controller dei motori. I circuiti integrati di gestione dell'alimentazione (PMIC), incorporati in chip di silicio standard o utilizzati come dispositivi autonomi, eseguono funzioni tra cui la conversione da CC a CC, la ricarica della batteria e il ridimensionamento della tensione. I PMIC sono un mercato basato sui MOS.

Tuttavia, SiC e GaN vengono ora adottati a causa della loro minore resistività, nonché della capacità di funzionare a temperature più elevate e di utilizzare frequenze di commutazione più elevate. Entrambi i materiali forniscono maggiore efficienza e densità di potenza. Il SiC sta guadagnando interesse per i veicoli elettrici e ibridi plug-in e viene esplorato per sistemi di trasporto più ampi, come treni, camion, aerei e barche. Si prevede che entro la fine del decennio il SiC diventerà il materiale leader nei dispositivi di potenza. I progettisti di caricabatterie per laptop stanno passando dal MOS al GaN perché l'alimentatore può essere più piccolo, più efficiente e con una maggiore affidabilità.

Per ottimizzare la potenza, l'aspetto più critico per l'efficienza è la resistenza ON. La resistenza provoca calore, che rappresenta una perdita di potenza. Quando il transistor è acceso, qual è la resistenza tra l'ingresso e l'uscita? Rispetto al MOS, SiC e GaN hanno entrambi una resistenza inferiore, il che li rende interessanti per garantire una maggiore efficienza nei sistemi.

La spinta verso dispositivi più efficienti, siano essi in MOS, SiC o GaN, richiede progetti più grandi per ridurre la resistenza ON. Ciò a sua volta crea una sfida progettuale per garantire che il dispositivo si accenda in modo uniforme. Se una sezione del dispositivo impiega più tempo per accendersi, la corrente totale scorre attraverso la sezione accesa, causando una densità di corrente superiore a quella prevista e incidendo sull'affidabilità.

A causa del complesso instradamento dei dispositivi di potenza, sono emersi sulla scena numerosi strumenti specializzati per analizzare accuratamente efficienza e affidabilità. Tuttavia, con l’aumento delle dimensioni del progetto, molti di questi strumenti non hanno la capacità richiesta. Inoltre, per fornire un'analisi completa, è importante includere l'impatto del pacchetto.

Chiaramente, con le incessanti pressioni competitive e gli obiettivi di time-to-market aggressivi in ​​gioco, è necessario un modo più efficiente per creare dispositivi di potenza affidabili e di lunga durata richiesti da così tante applicazioni.

Soluzione per l'ottimizzazione dei dispositivi di potenza

Una soluzione che automatizzi il processo di ottimizzazione dei dispositivi di potenza contribuirebbe notevolmente a ridurre i tempi di consegna e a raggiungere gli obiettivi di qualità. Sinossi Power Device WorkBench è una di queste soluzioni. Progettato per ottimizzare i transistor di potenza, Power Device WorkBench migliora l'efficienza e l'affidabilità analizzando e simulando attentamente la resistenza e il flusso di corrente all'interno delle complesse interconnessioni metalliche. Gli ingegneri possono ottimizzare i propri progetti per parametri quali area, affidabilità, tempistica e temperatura. Dotata di un motore di simulazione ad alto rendimento, la soluzione può correggere automaticamente le violazioni dell'elettromigrazione e identificare dove migliorare il layout di un progetto per migliorare l'efficienza e i tempi.

Non c'è da meravigliarsi perché il mercato dell'elettronica di potenza è così caldo in questo momento. I dispositivi di alimentazione sono semplicemente essenziali in tanti settori. La gamma di dispositivi alimentati a batteria che utilizziamo quotidianamente sono fattori chiave per la loro crescita, così come le tendenze in forte espansione nell’elettrificazione dei veicoli e nelle energie rinnovabili. Tuttavia, i dispositivi stessi continuano a diventare più complessi poiché gli ingegneri si sforzano di racchiudere più funzionalità in singoli chip soddisfacendo al tempo stesso le richieste di prestazioni efficienti e dimensioni ridotte. Una soluzione completa di ottimizzazione della potenza come Power Device WorkBench affronta queste sfide, così come quelle presentate dai nuovi materiali che aiutano a rendere questi dispositivi ancora più efficienti.