Почему рынок силовых устройств сейчас так популярен?

Растущее внедрение электромобилей (EV) и возобновляемых источников энергии привлекает внимание к силовым полупроводниковым устройствам. Эти силовые устройства всегда играли важную роль в определении эффективности различных систем, от небольшой бытовой электроники до оборудования, используемого в космосе. Но по мере того, как призывы к сокращению выбросов углекислого газа становятся все громче, рынок этих чипов продолжает процветать — с 41.81 миллиарда долларов США в этом году до 49.23 миллиарда долларов США к 2028 году, согласно данным Мордор Интеллект.

Бурный рост количества мобильных приложений наряду с ростом рынков электромобилей, возобновляемых источников энергии и облачных вычислений стимулируют спрос на более сложные и эффективные SoC и системы. Это, в свою очередь, вызывает потребность в повышении эффективности и удельной мощности силовых устройств. Карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN) используются для решения этой проблемы, создавая более эффективные устройства с более высокой плотностью мощности, но с повышенной сложностью конструкции. Читайте дальше, чтобы узнать больше о том, что необходимо для разработки силовых полупроводников, которые эффективно преобразуют и управляют электрической энергией.

Новые материалы повышают эффективность при меньших форм-факторах

Силовые полупроводниковые переключатели и механизмы управления переводят мощность из одной формы в другую, подавая регулируемую и контролируемую мощность в конечную систему. Традиционно силовые устройства разрабатывались с использованием технологии металлооксидных полупроводников (МОП). Например, силовые МОП-транзисторы (или полевые МОП-транзисторы) контролируют большой ток или мощность в цепях и обычно встречаются в виде дискретных компонентов в импульсных источниках питания и контроллерах двигателей. Микросхемы управления питанием (PMIC), которые либо встроены в стандартные кремниевые чипы, либо используются как автономные устройства, выполняют такие функции, как преобразование постоянного тока в постоянный, зарядку аккумулятора и масштабирование напряжения. PMICs – это рынок, основанный на MOS.

Однако в настоящее время используются SiC и GaN из-за их более низкого удельного сопротивления, а также способности работать при более высоких температурах и использовать более высокие частоты переключения. Оба материала обеспечивают более высокий КПД и удельную мощность. SiC вызывает все больший интерес к электромобилям и гибридным электромобилям, а также изучается для более крупных транспортных систем, таких как поезда, грузовики, самолеты и лодки. Ожидается, что к концу десятилетия SiC станет ведущим материалом в силовых устройствах. Разработчики зарядных устройств для ноутбуков переходят от MOS к GaN, поскольку источник питания может быть меньше по размеру, более эффективен и более надежен.

Для оптимизации мощности наиболее важным аспектом эффективности является сопротивление включения. Сопротивление вызывает нагрев, что означает потерю мощности. Чему равно сопротивление между входом и выходом транзистора, когда он включен? По сравнению с МОП, SiC и GaN имеют более низкое сопротивление, что делает их привлекательными для повышения эффективности систем.

Стремление к созданию более эффективных устройств, будь то MOS, SiC или GaN, требует более крупных конструкций для снижения сопротивления в открытом состоянии. Это, в свою очередь, создает проблему обеспечения равномерного включения устройства. Если для включения секции устройства требуется больше времени, общий ток протекает через включенную секцию, вызывая более высокую, чем ожидалось, плотность тока и влияя на надежность.

Из-за сложной маршрутизации силовых устройств на сцене появился ряд специализированных инструментов для точного анализа эффективности и надежности. Однако по мере увеличения размера проекта многим из этих инструментов не хватает необходимой мощности. Кроме того, для проведения полного анализа важно включить влияние пакета.

Очевидно, что в условиях неослабевающего конкурентного давления и агрессивных целей по срокам выхода на рынок необходим более эффективный способ создания надежных и долговечных силовых устройств, которые требуются во многих приложениях.

Решение для оптимизации силовых устройств

Решение, которое автоматизирует процесс оптимизации силовых устройств, будет иметь большое значение для сокращения сроков выполнения работ и достижения целевых показателей качества. Рабочая среда Synopsys Power Device WorkBench является одним из таких решений. Программа Power Device WorkBench, предназначенная для оптимизации силовых транзисторов, повышает эффективность и надежность за счет тщательного анализа и моделирования сопротивления и тока в сложных металлических соединениях. Инженеры могут оптимизировать свои конструкции по таким параметрам, как площадь, надежность, время и температура. Благодаря высокопроизводительному механизму моделирования решение может автоматически исправлять нарушения электромиграции и определять, где улучшить компоновку проекта, чтобы повысить эффективность и сократить сроки.

Неудивительно, почему рынок силовой электроники сейчас так популярен. Силовые устройства просто необходимы во многих областях. Множество устройств с батарейным питанием, которые мы используем ежедневно, являются ключевыми факторами их роста, равно как и бурные тенденции в электрификации транспортных средств и возобновляемых источниках энергии. Однако сами устройства продолжают становиться все более сложными, поскольку инженеры стремятся объединить больше функциональности в одиночные чипы, одновременно удовлетворяя требования к эффективной производительности и небольшим размерам. Комплексное решение по оптимизации энергопотребления, такое как Power Device WorkBench, решает эти проблемы, а также проблемы, связанные с новыми материалами, которые помогают сделать эти устройства еще более эффективными.