Varför är marknaden för kraftenheter så het just nu?

Den växande användningen av elfordon (EV) och förnybara energikällor sätter strålkastarljuset på krafthalvledarenheter. Dessa kraftenheter har alltid varit avgörande för att bestämma effektiviteten hos en mängd olika system, från små hushållselektronik till utrustning som används i yttre rymden. Men när uppmaningarna om att minska koldioxidutsläppen blir starkare, fortsätter marknaden för dessa chips att blomstra – från 41.81 miljarder USD i år till 49.23 miljarder USD år 2028, enligt Mordor intelligens.

Explosionen av mobila applikationer tillsammans med tillväxten av marknader för elbilar, förnybar energi och molndatorer driver efterfrågan på mer komplexa och effektiva SoC:er och system. Detta driver i sin tur ett krav på ökad effektivitet och effekttäthet i kraftenheter. Material av kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) används för att möta utmaningen, vilket ger effektivare enheter med högre effekttäthet, men med ökad designkomplexitet. Läs vidare för att lära dig mer om vad som behövs för att utveckla krafthalvledare som effektivt omvandlar och styr elektrisk kraft.

Nya material ger högre effektivitet vid mindre formfaktorer

Krafthalvledaromkopplare och kontrollmekanismer överför kraft från en form till en annan, och levererar reglerad och kontrollerad effekt till ett slutsystem. Traditionellt har kraftenheter utvecklats med metalloxidhalvledarteknik (MOS). Till exempel styr effekt-MOSFET:er (eller MOS-fälteffekttransistorer) hög ström eller effekt i kretsar och finns vanligtvis, som diskreta komponenter, i switchande strömförsörjning och motorstyrenheter. Power Management ICs (PMICs), som antingen är inbäddade i standardkiselchips eller används som fristående enheter, utför funktioner inklusive DC-till-DC-konvertering, batteriladdning och spänningsskalning. PMIC är en MOS-baserad marknad.

Men SiC och GaN antas nu på grund av deras lägre resistivitet, samt förmåga att arbeta vid högre temperaturer och använda högre switchfrekvenser. Båda materialen ger högre effektivitet och effekttäthet. SiC ökar intresset för elbilar och plug-in hybrid elbilar och utforskas för större transportsystem, såsom tåg, lastbilar, flygplan och båtar. I slutet av decenniet förväntas SiC vara det ledande materialet inom kraftenheter. Designers av laddare för bärbara datorer går från MOS till GaN eftersom strömförsörjningen kan vara mindre och effektivare med högre tillförlitlighet.

För att optimera effekten är den mest kritiska aspekten för effektivitet PÅ-resistansen. Motstånd orsakar värme, vilket representerar effektförlust. När transistorn är på, vad är motståndet från ingången till utgången? Jämfört med MOS har SiC och GaN båda lägre motstånd, vilket gör dem attraktiva för att driva högre effektivitet i system.

Drivningen för mer effektiva enheter, oavsett om det är i MOS, SiC eller GaN, kräver större konstruktioner för att minska ON-resistansen. Detta skapar i sin tur en designutmaning att se till att enheten slås på jämnt. Om en sektion av enheten tar längre tid att slå på, flyter den totala strömmen genom den sektion som är påslagen, vilket orsakar högre strömtäthet än förväntat och påverkar tillförlitligheten.

På grund av den komplexa routingen av kraftenheter har ett antal specialiserade verktyg dykt upp på scenen för att noggrant analysera effektivitet och tillförlitlighet. Men när designstorleken växer, saknar många av dessa verktyg den kapacitet som krävs. Dessutom, för att ge en fullständig analys, är det viktigt att inkludera effekten av paketet.

Det är uppenbart att med ett obevekligt konkurrenstryck och aggressiva mål för tid till marknad måste det finnas ett mer effektivt sätt att skapa de pålitliga, långvariga kraftenheter som så många applikationer kräver.

Lösning för att optimera kraftenheter

En lösning som automatiserar processen för att optimera kraftenheter skulle gå långt när det gäller att förkorta omloppstiderna samtidigt som kvalitetsmålen uppnås. Synopsys Power Device WorkBench är en sådan lösning. Designad för att optimera effekttransistorer, förbättrar Power Device WorkBench effektivitet och tillförlitlighet genom att noggrant analysera och simulera motståndet och strömflödet i komplexa metallförbindelser. Ingenjörer kan optimera sina konstruktioner för parametrar inklusive yta, tillförlitlighet, timing och temperatur. Med en simuleringsmotor med hög genomströmning kan lösningen automatiskt korrigera elektromigreringsöverträdelser och identifiera var man kan förbättra en designs layout för att förbättra effektiviteten och timingen.

Det är inte konstigt varför kraftelektronikmarknaden är så het just nu. Kraftenheter är helt enkelt viktiga på så många områden. Den mängd batteridrivna enheter vi använder dagligen är nyckelfaktorer för deras tillväxt, liksom blomstrande trender inom fordonselektrifiering och förnybar energi. Enheterna i sig fortsätter dock att bli mer komplexa eftersom ingenjörer strävar efter att packa mer funktionalitet i enstaka chips samtidigt som de möter kraven på effektiv prestanda och små storlekar. En komplett energioptimeringslösning som Power Device WorkBench tar itu med dessa utmaningar, såväl som de som presenteras av nya material som hjälper till att göra dessa enheter ännu mer effektiva.