Waarom is de markt voor elektrische apparaten momenteel zo populair?

De toenemende adoptie van elektrische voertuigen (EV’s) en hernieuwbare energiebronnen zet elektrische halfgeleiderapparaten in de schijnwerpers. Deze voedingsapparaten zijn altijd essentieel geweest bij het bepalen van de efficiëntie van een verscheidenheid aan systemen, van kleine huishoudelijke elektronica tot apparatuur die in de ruimte wordt gebruikt. Maar naarmate de roep om de CO41.81-uitstoot terug te dringen steeds luider wordt, blijft de markt voor deze chips floreren: van 49.23 miljard dollar dit jaar naar 2028 miljard dollar in XNUMX, aldus Mordor-intelligentie.

De explosie van mobiele toepassingen, samen met de groei van de markten voor elektrische voertuigen, hernieuwbare energie en cloud computing, zorgen voor een vraag naar complexere en efficiëntere SoC's en systemen. Dit leidt op zijn beurt tot een vraag naar verhoogde efficiëntie en vermogensdichtheid in energieapparaten. Materialen van siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) worden gebruikt om de uitdaging aan te pakken, waardoor efficiëntere apparaten met een hogere vermogensdichtheid, maar met een grotere ontwerpcomplexiteit worden verkregen. Lees verder voor meer informatie over wat er nodig is om vermogenshalfgeleiders te ontwikkelen die elektrische energie efficiënt omzetten en controleren.

Nieuwe materialen zorgen voor een hogere efficiëntie bij kleinere vormfactoren

Vermogenshalfgeleiderschakelaars en besturingsmechanismen brengen vermogen over van de ene vorm naar de andere en leveren gereguleerde en gecontroleerde stroom aan een eindsysteem. Traditioneel worden vermogensapparaten ontwikkeld met metaaloxide-halfgeleidertechnologie (MOS). Vermogens-MOSFET's (of MOS-veldeffecttransistors) regelen bijvoorbeeld hoge stroom of vermogen in circuits en worden vaak, als discrete componenten, aangetroffen in schakelende voedingen en motorcontrollers. Energiebeheer-IC's (PMIC's), die ofwel zijn ingebed in standaard siliciumchips of worden gebruikt als zelfstandige apparaten, voeren functies uit zoals DC-naar-DC-conversie, het opladen van de batterij en het opschalen van de spanning. PMIC's zijn een op MOS gebaseerde markt.

SiC en GaN worden nu echter toegepast vanwege hun lagere soortelijke weerstand, evenals het vermogen om bij hogere temperaturen te werken en hogere schakelfrequenties te gebruiken. Beide materialen zorgen voor een hogere efficiëntie en vermogensdichtheid. SiC wint aan belangstelling voor elektrische voertuigen en plug-in hybride elektrische voertuigen en wordt onderzocht voor grotere transportsystemen, zoals treinen, vrachtwagens, vliegtuigen en boten. Er wordt verwacht dat SiC tegen het einde van dit decennium het leidende materiaal in elektrische apparaten zal zijn. Ontwerpers van laptopladers stappen over van MOS naar GaN omdat de voeding kleiner en efficiënter kan zijn met een hogere betrouwbaarheid.

Om het vermogen te optimaliseren, is het meest kritische aspect voor efficiëntie de AAN-weerstand. Weerstand veroorzaakt warmte, wat neerkomt op vermogensverlies. Als de transistor aan staat, wat is dan de weerstand van de ingang naar de uitgang? Vergeleken met MOS hebben SiC en GaN beide een lagere weerstand, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor het stimuleren van grotere efficiëntie in systemen.

De drang naar efficiëntere apparaten, of het nu in MOS, SiC of GaN is, vereist grotere ontwerpen om de AAN-weerstand te verminderen. Dit creëert op zijn beurt een ontwerpuitdaging om ervoor te zorgen dat het apparaat gelijkmatig wordt ingeschakeld. Als het langer duurt voordat een gedeelte van het apparaat wordt ingeschakeld, vloeit de totale stroom door het gedeelte dat is ingeschakeld, waardoor de stroomdichtheid hoger is dan verwacht en de betrouwbaarheid wordt aangetast.

Vanwege de complexe routering van stroomapparaten zijn er een aantal gespecialiseerde tools op het toneel verschenen om de efficiëntie en betrouwbaarheid nauwkeurig te analyseren. Naarmate de ontwerpomvang groter wordt, missen veel van deze tools echter de vereiste capaciteit. Voor een volledige analyse is het bovendien belangrijk om de impact van het pakket mee te nemen.

Het is duidelijk dat er, gezien de niet-aflatende concurrentiedruk en agressieve time-to-market-doelen die een rol spelen, een efficiëntere manier moet zijn om de betrouwbare, duurzame energieapparaten te creëren die voor zoveel toepassingen nodig zijn.

Oplossing voor het optimaliseren van stroomapparaten

Een oplossing die het proces voor het optimaliseren van energieapparaten automatiseert, zou een grote bijdrage kunnen leveren aan het verkorten van de doorlooptijden en het behalen van de kwaliteitsdoelstellingen. Synopsys Power Device WorkBench is zo'n oplossing. Power Device WorkBench is ontworpen om vermogenstransistoren te optimaliseren en verbetert de efficiëntie en betrouwbaarheid door de weerstand en stroom binnen complexe metalen verbindingen zorgvuldig te analyseren en te simuleren. Ingenieurs kunnen hun ontwerpen optimaliseren voor parameters zoals oppervlakte, betrouwbaarheid, timing en temperatuur. Met een simulatie-engine met hoge doorvoer kan de oplossing automatisch inbreuken op de elektromigratie corrigeren en identificeren waar de lay-out van een ontwerp kan worden verbeterd om de efficiëntie en timing te verbeteren.

Het is geen wonder waarom de markt voor vermogenselektronica momenteel zo populair is. Stroomapparaten zijn op zoveel gebieden simpelweg essentieel. Het scala aan op batterijen werkende apparaten die we dagelijks gebruiken, is een belangrijke motor voor hun groei, net als de bloeiende trends op het gebied van de elektrificatie van voertuigen en hernieuwbare energie. De apparaten zelf worden echter steeds complexer omdat ingenieurs ernaar streven meer functionaliteit in afzonderlijke chips te stoppen en tegelijkertijd te voldoen aan de vraag naar efficiënte prestaties en kleine afmetingen. Een complete oplossing voor energieoptimalisatie, zoals Power Device WorkBench, pakt deze uitdagingen aan, evenals de uitdagingen die gepaard gaan met nieuwe materialen die deze apparaten nog efficiënter helpen maken.