מדוע שוק מכשירי החשמל כל כך חם עכשיו?

האימוץ הגובר של כלי רכב חשמליים (EVs) ומקורות אנרגיה מתחדשים שם את הזרקור על התקני מוליכים למחצה. מכשירי חשמל אלו תמיד היו חיוניים בקביעת היעילות של מגוון מערכות, החל ממכשירי אלקטרוניקה ביתיים קטנים ועד לציוד המשמש בחלל החיצון. אך ככל שהקריאות להפחתת פליטת הפחמן מתגברות, השוק של השבבים הללו ממשיך לפרוח - מ-41.81 מיליארד דולר השנה ל-49.23 מיליארד דולר עד 2028, לפי מודיעין מודיעין.

הפיצוץ ביישומים ניידים יחד עם הצמיחה בשווקי EV, אנרגיה מתחדשת ומחשוב ענן מניעים דרישות למערכות SoC ומערכות מורכבות ויעילות יותר. זה בתורו מניע דרישה ליעילות מוגברת וצפיפות הספק בהתקני כוח. חומרי סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN) מאומצים כדי להתמודד עם האתגר, ומספקים מכשירים יעילים יותר עם צפיפות הספק גבוהה יותר, אך עם מורכבות עיצוב מוגברת. המשך לקרוא כדי ללמוד עוד על מה שנדרש לפיתוח מוליכים למחצה הספקים הממירים ושולטים ביעילות בכוח החשמל.

חומרים חדשים מביאים ליעילות גבוהה יותר בגורמי צורה קטנים יותר

מתגי מוליכים למחצה ומנגנוני בקרה מעבירים כוח מצורה אחת לאחרת, ומספקים כוח מווסת ומבוקר למערכת קצה. באופן מסורתי, מכשירי חשמל פותחו בטכנולוגיית מוליכים למחצה תחמוצת מתכת (MOS). לדוגמה, MOSFETs (או טרנזיסטורי MOS-אפקט-שדה) שולטים בזרם גבוה או בהספק גבוהים במעגלים, ונמצאים בדרך כלל, כרכיבים בדידים, בהחלפת ספקי כוח ובקרי מנוע. מעבדי ניהול צריכת חשמל (PMICs), המוטמעים בשבבי סיליקון סטנדרטיים או משמשים כהתקנים עצמאיים, מבצעים פונקציות כולל המרת DC-ל-DC, טעינת סוללה וקנה מידה מתח. PMICs הם שוק מבוסס MOS.

עם זאת, SiC ו-GaN מאומצים כעת בשל ההתנגדות הנמוכה יותר שלהם, כמו גם היכולת לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר ולהשתמש בתדרי מיתוג גבוהים יותר. שני החומרים מספקים יעילות וצפיפות הספק גבוהים יותר. SiC צובר עניין עבור רכבי EV ו-Plug-in היברידיים, ונבדק עבור מערכות תחבורה גדולות יותר, כגון רכבות, משאיות, מטוסים וסירות. עד סוף העשור, SiC צפוי להיות החומר המוביל במכשירי חשמל. מעצבי מטענים למחשב נייד עוברים מ-MOS ל-GaN מכיוון שספק הכוח יכול להיות קטן ויעיל יותר עם אמינות גבוהה יותר.

כדי לייעל את ההספק, ההיבט הקריטי ביותר ליעילות הוא התנגדות ה-ON. התנגדות גורמת לחום, המייצגת אובדן כוח. כאשר הטרנזיסטור פועל, מהי ההתנגדות מהכניסה ליציאה? בהשוואה ל-MOS, ל-SiC ול-GaN יש התנגדות נמוכה יותר, מה שהופך אותם לאטרקטיביים לביצוע יעילות רבה יותר במערכות.

הכונן להתקנים יעילים יותר, בין אם ב-MOS, SiC או GaN, דורש עיצובים גדולים יותר כדי להפחית את התנגדות ה-ON. זה בתורו יוצר אתגר עיצובי של להבטיח שהמכשיר נדלק בצורה אחידה. אם לחלק מהמכשיר לוקח יותר זמן להפעיל, הזרם הכולל זורם דרך הקטע המופעל, מה שגורם לצפיפות זרם גבוהה מהצפוי ומשפיע על האמינות.

בשל הניתוב המורכב של התקני חשמל, הופיעו במקום מספר כלים מיוחדים לניתוח מדויק של יעילות ואמינות. עם זאת, ככל שגודל העיצוב גדל, רבים מהכלים הללו חסרים את הקיבולת הנדרשת. בנוסף, כדי לספק ניתוח מלא, חשוב לכלול את ההשפעה של החבילה.

ברור שעם לחצים תחרותיים בלתי פוסקים ויעדים אגרסיביים של זמן יציאה לשוק, צריכה להיות דרך יעילה יותר ליצור את מכשירי הכוח האמינים ועמידים לאורך זמן, שכל כך הרבה יישומים דורשים.

פתרון לאופטימיזציה של התקני כוח

פתרון שממכן את התהליך לאופטימיזציה של התקני צריכת חשמל יוביל רבות לקיצור זמני אספקה ​​תוך עמידה ביעדי איכות. Synopsys Power Device WorkBench הוא פתרון אחד כזה. תוכנן לייעל טרנזיסטורי הספק, Power Device WorkBench משפר את היעילות והאמינות על ידי ניתוח וסימולציה קפדנית של ההתנגדות והזרימה בחיבורי מתכת מורכבים. מהנדסים יכולים לייעל את העיצובים שלהם לפרמטרים הכוללים שטח, אמינות, תזמון וטמפרטורה. עם מנוע סימולציה בעל תפוקה גבוהה, הפתרון יכול לתקן באופן אוטומטי הפרות אלקטרומיגרציה ולזהות היכן לשפר את הפריסה של העיצוב כדי לשפר את היעילות והתזמון.

אין זה פלא מדוע שוק האלקטרוניקה הכוח חם כל כך עכשיו. התקני חשמל הם פשוט חיוניים בכל כך הרבה תחומים. מערך המכשירים המופעלים על ידי סוללות שאנו משתמשים בהם מדי יום הם גורמי מפתח לצמיחתם, וכך גם מגמות פורחות בחשמול כלי רכב ואנרגיה מתחדשת. עם זאת, המכשירים עצמם ממשיכים להיות מורכבים יותר כאשר מהנדסים שואפים לארוז יותר פונקציונליות לתוך שבבים בודדים תוך עמידה בדרישות לביצועים יעילים וגדלים קטנים. פתרון מלא לאופטימיזציה של צריכת חשמל כגון Power Device WorkBench נותן מענה לאתגרים הללו, כמו גם לאלה שמציגים חומרים חדשים שעוזרים להפוך את המכשירים הללו ליעילים עוד יותר.