Por que o mercado de dispositivos de energia está tão aquecido agora?

A crescente adoção de veículos elétricos (EVs) e fontes de energia renováveis ​​está colocando em destaque os dispositivos semicondutores de potência. Esses dispositivos de energia sempre foram essenciais para determinar a eficiência de uma variedade de sistemas, desde pequenos eletrônicos domésticos até equipamentos usados ​​no espaço sideral. Mas à medida que os apelos para a redução das emissões de carbono se tornam mais fortes, o mercado para estes chips continua a florescer – de 41.81 mil milhões de dólares este ano para 49.23 mil milhões de dólares em 2028, de acordo com a Inteligência Mordor.

A explosão das aplicações móveis, juntamente com o crescimento dos mercados de veículos elétricos, energias renováveis ​​e computação em nuvem, estão a impulsionar a procura por SoCs e sistemas mais complexos e eficientes. Isto, por sua vez, impulsiona uma demanda por maior eficiência e densidade de potência em dispositivos de energia. Materiais de carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) estão sendo adotados para enfrentar o desafio, fornecendo dispositivos mais eficientes com maior densidade de potência, mas com maior complexidade de projeto. Continue lendo para saber mais sobre o que é necessário para desenvolver semicondutores de potência que convertam e controlem com eficiência a energia elétrica.

Novos materiais trazem maior eficiência em formatos menores

Chaves semicondutoras de potência e mecanismos de controle transferem energia de uma forma para outra, fornecendo energia regulada e controlada a um sistema final. Tradicionalmente, os dispositivos de energia têm sido desenvolvidos com tecnologia de semicondutor de óxido metálico (MOS). Por exemplo, MOSFETs de potência (ou transistores de efeito de campo MOS) controlam alta corrente ou potência em circuitos e são comumente encontrados, como componentes discretos, em fontes chaveadas e controladores de motores. Os CIs de gerenciamento de energia (PMICs), que são incorporados em chips de silício padrão ou usados ​​como dispositivos autônomos, executam funções que incluem conversão CC para CC, carregamento de bateria e escalonamento de tensão. PMICs são um mercado baseado em MOS.

No entanto, SiC e GaN estão sendo adotados devido à sua menor resistividade, bem como à capacidade de operar em temperaturas mais altas e usar frequências de comutação mais altas. Ambos os materiais proporcionam maior eficiência e densidade de potência. O SiC está ganhando interesse em veículos elétricos e veículos elétricos híbridos plug-in e está sendo explorado para sistemas de transporte maiores, como trens, caminhões, aviões e barcos. Até o final da década, prevê-se que o SiC seja o material líder em dispositivos de energia. Os projetistas de carregadores de laptop estão migrando do MOS para o GaN porque a fonte de alimentação pode ser menor e mais eficiente com maior confiabilidade.

Para otimizar a potência, o aspecto mais crítico para a eficiência é a resistência ON. A resistência causa calor, representando perda de energia. Quando o transistor está ligado, qual é a resistência da entrada à saída? Comparados ao MOS, o SiC e o GaN apresentam menor resistência, o que os torna atraentes para gerar maior eficiência nos sistemas.

A busca por dispositivos mais eficientes, seja em MOS, SiC ou GaN, requer designs maiores para reduzir a resistência ON. Isso, por sua vez, cria um desafio de design para garantir que o dispositivo ligue uniformemente. Se uma seção do dispositivo demorar mais para ligar, a corrente total flui através da seção que está ligada, causando uma densidade de corrente maior do que a esperada e impactando a confiabilidade.

Devido ao roteamento complexo dos dispositivos de energia, surgiram diversas ferramentas especializadas para analisar com precisão a eficiência e a confiabilidade. No entanto, à medida que o tamanho do projeto aumenta, muitas dessas ferramentas não possuem a capacidade necessária. Além disso, para fornecer uma análise completa, é importante incluir o impacto do pacote.

Claramente, com pressões competitivas implacáveis ​​e metas agressivas de tempo de colocação no mercado em jogo, é necessário haver uma maneira mais eficiente de criar os dispositivos de energia confiáveis ​​e duradouros que tantas aplicações exigem.

Solução para otimizar dispositivos de energia

Uma solução que automatiza o processo para otimizar os dispositivos de energia ajudaria muito a reduzir os tempos de resposta e, ao mesmo tempo, cumprir as metas de qualidade. Bancada de trabalho para dispositivos de energia Synopsys é uma dessas soluções. Projetado para otimizar transistores de potência, o Power Device WorkBench aumenta a eficiência e a confiabilidade analisando e simulando cuidadosamente a resistência e o fluxo de corrente em interconexões metálicas complexas. Os engenheiros podem otimizar seus projetos para parâmetros como área, confiabilidade, tempo e temperatura. Apresentando um mecanismo de simulação de alto rendimento, a solução pode corrigir automaticamente violações de eletromigração e identificar onde melhorar o layout de um projeto para melhorar a eficiência e o tempo.

Não é de admirar que o mercado de eletrônica de potência esteja tão aquecido no momento. Dispositivos de energia são simplesmente essenciais em muitas áreas. A variedade de dispositivos alimentados por bateria que usamos diariamente são os principais impulsionadores do seu crescimento, assim como as tendências em expansão na eletrificação de veículos e nas energias renováveis. No entanto, os próprios dispositivos continuam a tornar-se mais complexos à medida que os engenheiros se esforçam para incluir mais funcionalidades em chips únicos, ao mesmo tempo que satisfazem as exigências de desempenho eficiente e tamanhos pequenos. Uma solução completa de otimização de energia, como o Power Device WorkBench, aborda esses desafios, bem como aqueles apresentados por novos materiais que ajudam a tornar esses dispositivos ainda mais eficientes.