Dlaczego rynek urządzeń zasilających jest teraz tak gorący?

Rosnące wykorzystanie pojazdów elektrycznych (EV) i odnawialnych źródeł energii powoduje, że w centrum uwagi znajdują się urządzenia półprzewodnikowe mocy. Te urządzenia zasilające zawsze odgrywały kluczową rolę w określaniu wydajności różnych systemów, od drobnej elektroniki domowej po sprzęt używany w przestrzeni kosmicznej. Jednak w miarę jak nawoływania do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych stają się coraz głośniejsze, rynek tych chipów w dalszym ciągu kwitnie – według danych z 41.81 miliardów dolarów w tym roku do 49.23 miliardów dolarów w 2028 roku. Inteligencja Mordoru.

Eksplozja aplikacji mobilnych wraz z rozwojem rynków pojazdów elektrycznych, energii odnawialnej i przetwarzania w chmurze napędzają zapotrzebowanie na bardziej złożone i wydajne SoC i systemy. To z kolei napędza zapotrzebowanie na zwiększoną wydajność i gęstość mocy w urządzeniach zasilających. Aby sprostać temu wyzwaniu, stosuje się materiały z węglika krzemu (SiC) i azotku galu (GaN), zapewniając bardziej wydajne urządzenia o większej gęstości mocy, ale o zwiększonej złożoności projektu. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o tym, co jest potrzebne do opracowania półprzewodników mocy, które skutecznie przetwarzają i kontrolują energię elektryczną.

Nowe materiały zapewniają wyższą wydajność przy mniejszych rozmiarach

Przełączniki półprzewodnikowe mocy i mechanizmy sterujące przenoszą moc z jednej formy do drugiej, dostarczając regulowaną i kontrolowaną moc do systemu końcowego. Tradycyjnie urządzenia zasilające opracowywano w oparciu o technologię półprzewodników z tlenkiem metalu (MOS). Na przykład tranzystory MOSFET mocy (lub tranzystory polowe MOS) kontrolują wysoki prąd lub moc w obwodach i powszechnie spotyka się je jako elementy dyskretne w zasilaczach impulsowych i sterownikach silników. Układy scalone zarządzania energią (PMIC), które są wbudowane w standardowe chipy krzemowe lub używane jako samodzielne urządzenia, realizują funkcje obejmujące konwersję prądu stałego na prąd stały, ładowanie akumulatorów i skalowanie napięcia. PMIC to rynek oparty na MOS.

Jednak obecnie stosuje się SiC i GaN ze względu na ich niższą rezystywność, a także zdolność do pracy w wyższych temperaturach i stosowania wyższych częstotliwości przełączania. Obydwa materiały zapewniają wyższą wydajność i gęstość mocy. SiC cieszy się coraz większym zainteresowaniem w pojazdach elektrycznych i hybrydowych typu plug-in oraz jest badany w większych systemach transportowych, takich jak pociągi, ciężarówki, samoloty i łodzie. Przewiduje się, że do końca dekady SiC stanie się wiodącym materiałem w urządzeniach zasilających. Projektanci ładowarek do laptopów przechodzą z MOS na GaN, ponieważ zasilacz może być mniejszy i wydajniejszy, a jednocześnie zapewnia większą niezawodność.

Aby zoptymalizować moc, najważniejszym aspektem wydajności jest rezystancja włączenia. Opór powoduje wytwarzanie ciepła, co oznacza utratę mocy. Jaka jest rezystancja między wejściem a wyjściem, gdy tranzystor jest włączony? W porównaniu z MOS, SiC i GaN mają niższą rezystancję, co czyni je atrakcyjnymi do zwiększania wydajności systemów.

Napęd dla bardziej wydajnych urządzeń, czy to w MOS, SiC, czy GaN, wymaga większych konstrukcji, aby zmniejszyć rezystancję włączenia. To z kolei stwarza wyzwanie projektowe polegające na zapewnieniu równomiernego włączania urządzenia. Jeśli włączenie części urządzenia trwa dłużej, całkowity prąd przepływa przez włączaną sekcję, powodując wyższą niż oczekiwana gęstość prądu i wpływając na niezawodność.

Ze względu na złożone trasowanie urządzeń zasilających na scenie pojawiło się szereg specjalistycznych narzędzi umożliwiających dokładną analizę wydajności i niezawodności. Jednak wraz ze wzrostem rozmiaru projektu wielu z tych narzędzi brakuje wymaganej wydajności. Dodatkowo, aby zapewnić pełną analizę, ważne jest uwzględnienie wpływu pakietu.

Jest oczywiste, że w obliczu niesłabnącej presji konkurencyjnej i rygorystycznych celów w zakresie czasu wprowadzenia produktów na rynek musi istnieć bardziej efektywny sposób tworzenia niezawodnych i trwałych urządzeń zasilających, których wymaga tak wiele zastosowań.

Rozwiązanie do optymalizacji urządzeń zasilających

Rozwiązanie, które automatyzuje proces optymalizacji urządzeń zasilających, znacznie przyczyniłoby się do skrócenia czasu realizacji przy jednoczesnej realizacji celów jakościowych. Stół roboczy do urządzeń zasilających Synopsys jest jednym z takich rozwiązań. Zaprojektowany z myślą o optymalizacji tranzystorów mocy, Power Device WorkBench zwiększa wydajność i niezawodność poprzez dokładną analizę i symulację rezystancji i przepływu prądu w złożonych metalowych połączeniach wzajemnych. Inżynierowie mogą optymalizować swoje projekty pod kątem takich parametrów, jak powierzchnia, niezawodność, czas i temperatura. Rozwiązanie, wyposażone w silnik symulacyjny o wysokiej przepustowości, może automatycznie korygować naruszenia związane z elektromigracją i identyfikować obszary wymagające poprawy układu projektu, aby poprawić wydajność i synchronizację.

Nic więc dziwnego, że na rynku energoelektroniki jest teraz tak gorąco. Urządzenia zasilające są po prostu niezbędne w wielu obszarach. Kluczowymi czynnikami napędzającymi ich rozwój są różnorodne urządzenia zasilane bateryjnie, z których korzystamy na co dzień, podobnie jak dynamicznie rozwijające się trendy w zakresie elektryfikacji pojazdów i energii odnawialnej. Jednak same urządzenia stają się coraz bardziej złożone, ponieważ inżynierowie starają się upakować większą funkcjonalność w pojedynczych chipach, spełniając jednocześnie wymagania dotyczące wydajnej wydajności i małych rozmiarów. Kompletne rozwiązanie do optymalizacji zasilania, takie jak Power Device WorkBench, stawia czoła tym wyzwaniom, a także wyzwaniom, jakie stwarzają nowe materiały, które pomagają uczynić te urządzenia jeszcze bardziej wydajnymi.