Hvorfor er markedet for kraftenheter så varmt akkurat nå?

Økende bruk av elektriske kjøretøy (EV) og fornybare energikilder setter søkelyset på krafthalvlederenheter. Disse kraftenhetene har alltid vært avgjørende for å bestemme effektiviteten til en rekke systemer, fra små husholdningselektronikk til utstyr brukt i verdensrommet. Men etter hvert som oppfordringene til å redusere karbonutslipp blir høyere, fortsetter markedet for disse brikkene å blomstre – fra 41.81 milliarder dollar i år til 49.23 milliarder dollar innen 2028, ifølge Mordor etterretning.

Eksplosjonen i mobilapplikasjoner sammen med veksten i markedene for elbiler, fornybar energi og cloud computing driver etterspørselen etter mer komplekse og effektive SoCer og systemer. Dette driver igjen et krav om økt effektivitet og effekttetthet i kraftenheter. Silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) materialer blir tatt i bruk for å møte utfordringen, og gir mer effektive enheter med høyere effekttetthet, men med økt designkompleksitet. Les videre for å lære mer om hva som trengs for å utvikle krafthalvledere som effektivt konverterer og kontrollerer elektrisk kraft.

Nye materialer gir høyere effektivitet ved mindre formfaktorer

Krafthalvlederbrytere og kontrollmekanismer overfører kraft fra en form til en annen, og leverer regulert og kontrollert kraft til et endesystem. Tradisjonelt har kraftenheter blitt utviklet med metalloksidhalvlederteknologi (MOS). For eksempel kontrollerer strøm-MOSFET-er (eller MOS-felteffekttransistorer) høy strøm eller effekt i kretser og er ofte funnet, som diskrete komponenter, i bytte av strømforsyninger og motorkontrollere. Strømstyrings-ICer (PMIC), som enten er innebygd i standard silisiumbrikker eller brukes som frittstående enheter, utfører funksjoner inkludert DC-til-DC-konvertering, batterilading og spenningsskalering. PMIC-er er et MOS-basert marked.

Imidlertid blir SiC og GaN nå tatt i bruk på grunn av deres lavere resistivitet, samt evnen til å operere ved høyere temperaturer og bruke høyere byttefrekvenser. Begge materialene gir høyere effektivitet og krafttetthet. SiC øker interessen for elbiler og plug-in hybrid elbiler og utforskes for større transportsystemer, som tog, lastebiler, fly og båter. Ved slutten av tiåret antas SiC å være det ledende materialet innen kraftenheter. Designere av bærbare ladere flytter fra MOS til GaN fordi strømforsyningen kan være mindre og mer effektiv med høyere pålitelighet.

For å optimalisere kraften er det mest kritiske aspektet for effektivitet PÅ-motstanden. Motstand forårsaker varme, som representerer strømtap. Når transistoren er på, hva er motstanden fra inngangen til utgangen? Sammenlignet med MOS har SiC og GaN begge lavere motstand, noe som gjør dem attraktive for å drive større effektivitet i systemer.

Stasjonen for mer effektive enheter, enten i MOS, SiC eller GaN, krever større design for å redusere PÅ-motstanden. Dette skaper igjen en designutfordring for å sikre at enheten slås på jevnt. Hvis en del av enheten tar lengre tid å slå på, flyter den totale strømmen gjennom delen som er slått på, noe som forårsaker høyere strømtetthet enn forventet og påvirker påliteligheten.

På grunn av den komplekse rutingen av strømenheter, har en rekke spesialiserte verktøy dukket opp på scenen for å nøyaktig analysere effektivitet og pålitelighet. Men ettersom designstørrelsen vokser, mangler mange av disse verktøyene den nødvendige kapasiteten. I tillegg, for å gi en fullstendig analyse, er det viktig å inkludere effekten av pakken.

Det er åpenbart at med uavbrutt konkurransepress og aggressive tid-til-marked-mål på spill, må det være en mer effektiv måte å lage pålitelige, langvarige kraftenheter som så mange applikasjoner krever.

Løsning for å optimalisere strømenheter

En løsning som automatiserer prosessen for å optimalisere strømenheter, vil gå langt i å forkorte behandlingstiden og samtidig levere kvalitetsmål. Synopsys Power Device WorkBench er en slik løsning. Designet for å optimalisere krafttransistorer, forbedrer Power Device WorkBench effektiviteten og påliteligheten ved å nøye analysere og simulere motstanden og strømstrømmen i komplekse metallforbindelser. Ingeniører kan optimalisere designene sine for parametere inkludert areal, pålitelighet, timing og temperatur. Med en simuleringsmotor med høy gjennomstrømning kan løsningen automatisk korrigere elektromigrasjonsbrudd og identifisere hvor du kan forbedre et designs layout for å forbedre effektiviteten og timingen.

Det er ikke rart hvorfor kraftelektronikkmarkedet er så varmt akkurat nå. Strømenheter er rett og slett viktige på så mange områder. Utvalget av batteridrevne enheter vi bruker daglig er nøkkeldrivere for deres vekst, i likhet med blomstrende trender innen kjøretøyelektrifisering og fornybar energi. Imidlertid fortsetter enhetene i seg selv å bli mer komplekse ettersom ingeniører streber etter å pakke mer funksjonalitet inn i enkeltbrikker samtidig som de møter kravene til effektiv ytelse og små størrelser. En komplett strømoptimeringsløsning som Power Device WorkBench løser disse utfordringene, så vel som de som presenteres av nye materialer som bidrar til å gjøre disse enhetene enda mer effektive.