なぜ今、パワーデバイス市場がこれほど熱いのでしょうか?

電気自動車（EV）と再生可能エネルギー源の導入の拡大により、パワー半導体デバイスに注目が集まっています。これらのパワーデバイスは、小型家電製品から宇宙で使用される機器に至るまで、さまざまなシステムの効率を決定するために常に不可欠です。しかし、二酸化炭素排出削減を求める声が高まるにつれ、これらのチップの市場は引き続き繁栄しており、同誌によると、今年の41.81億49.23万米ドルから2028年までにXNUMX億XNUMX万米ドルに達するという。 モルドールインテリジェンス.

EV、再生可能エネルギー、クラウド コンピューティング市場の成長に伴うモバイル アプリケーションの爆発的な増加により、より複雑で効率的な SoC およびシステムに対する需要が高まっています。これにより、パワーデバイスの効率と電力密度の向上に対する需要が高まります。この課題に対処するために炭化ケイ素 (SiC) および窒化ガリウム (GaN) 材料が採用されており、電力密度が高く、より効率的なデバイスが提供されますが、設計は複雑になります。電力を効率的に変換および制御するパワー半導体の開発に何が必要かについて詳しく学びましょう。

新素材はより小さなフォームファクターでより高い効率をもたらします

パワー半導体スイッチと制御機構は、電力をある形式から別の形式に伝送し、調整および制御された電力をエンドシステムに供給します。従来、パワーデバイスは金属酸化物半導体 (MOS) テクノロジーを使用して開発されてきました。たとえば、パワー MOSFET (または MOS 電界効果トランジスタ) は、回路内の大電流または電力を制御し、スイッチング電源やモーター コントローラーでディスクリート コンポーネントとして一般的に見られます。電源管理 IC (PMIC) は、標準のシリコン チップに組み込まれるか、スタンドアロン デバイスとして使用され、DC-DC 変換、バッテリー充電、電圧スケーリングなどの機能を実行します。 PMIC は MOS ベースの市場です。

しかし、SiC と GaN は、抵抗率が低く、高温で動作し、より高いスイッチング周波数を使用できるため、現在採用されています。どちらの材料も、より高い効率と電力密度を実現します。 SiC は EV やプラグインハイブリッド EV での関心を集めており、電車、トラック、飛行機、ボートなどのより大きな輸送システムでも検討されています。この 10 年代の終わりまでに、SiC はパワーデバイスの主要な材料になると予想されています。ラップトップ充電器の設計者は、電源の小型化と効率化、信頼性の向上を実現できるため、MOS から GaN への移行を進めています。

電力を最適化するために、効率にとって最も重要な要素はオン抵抗です。抵抗は熱を発生させ、電力損失を表します。トランジスタがオンのとき、入力から出力までの抵抗はいくらですか? MOS と比較して、SiC と GaN はどちらも抵抗が低いため、システムの効率を高めるのに魅力的です。

MOS、SiC、GaN のいずれであっても、より効率的なデバイスを実現するには、オン抵抗を低減するためにより大きな設計が必要です。これにより、デバイスを均一にオンにするという設計上の課題が生じます。デバイスの一部がオンになるまでに時間がかかる場合、オンになっている部分に合計電流が流れ、予想よりも高い電流密度が発生し、信頼性に影響を与えます。

パワーデバイスの配線が複雑なため、効率と信頼性を正確に分析するための専用ツールが数多く登場しています。ただし、設計サイズが大きくなるにつれて、これらのツールの多くは必要な容量が不足します。さらに、完全な分析を提供するには、パッケージの影響を含めることが重要です。

明らかに、絶え間ない競争圧力と市場投入までの時間目標が厳しい中、多くのアプリケーションが必要とする信頼性が高く、長寿命のパワーデバイスを作成するためのより効率的な方法が必要です。

パワーデバイスを最適化するソリューション

パワーデバイスを最適化するプロセスを自動化するソリューションは、品質目標を達成しながら納期を短縮するのに大いに役立ちます。 シノプシス パワーデバイス ワークベンチ もそのような解決策の 1 つです。パワー トランジスタを最適化するように設計された Power Device WorkBench は、複雑な金属相互接続内の抵抗と電流の流れを慎重に分析およびシミュレーションすることで、効率と信頼性を向上させます。エンジニアは、面積、信頼性、タイミング、温度などのパラメータに合わせて設計を最適化できます。高スループットのシミュレーション エンジンを備えたこのソリューションは、エレクトロマイグレーション違反を自動的に修正し、設計のレイアウトを改善して効率とタイミングを向上させる箇所を特定できます。

パワーエレクトロニクス市場が現在これほど熱いのは不思議ではありません。パワーデバイスは非常に多くの分野で不可欠です。私たちが毎日使用する一連のバッテリー駆動のデバイスは、自動車の電動化や再生可能エネルギーのブームと同様に、その成長の主要な原動力となっています。しかし、エンジニアが効率的なパフォーマンスと小型サイズの要求に応えながら、より多くの機能を単一チップに詰め込むよう努めているため、デバイス自体はますます複雑になり続けています。 Power Device WorkBench などの完全な電力最適化ソリューションは、これらの課題だけでなく、デバイスの効率をさらに高める新素材によってもたらされる課題にも対処します。