เหตุใดตลาดอุปกรณ์ไฟฟ้าจึงมาแรงในตอนนี้?

การใช้ยานพาหนะไฟฟ้า (EV) และแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่เพิ่มมากขึ้นกำลังทำให้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์กำลังเป็นที่สนใจ อุปกรณ์ไฟฟ้าเหล่านี้มีความสำคัญมาโดยตลอดในการกำหนดประสิทธิภาพของระบบต่างๆ ตั้งแต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในครัวเรือนขนาดเล็กไปจนถึงอุปกรณ์ที่ใช้ในอวกาศ แต่เนื่องจากการเรียกร้องให้ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนดังขึ้น ตลาดสำหรับชิปเหล่านี้ยังคงเติบโตอย่างต่อเนื่อง จาก 41.81 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปีนี้เป็น 49.23 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2028 ตามข้อมูลของ มอร์ดอร์ อินเทลลิเจนซ์.

การขยายตัวอย่างรวดเร็วของแอปพลิเคชันบนมือถือพร้อมกับการเติบโตของตลาด EV พลังงานหมุนเวียน และคลาวด์คอมพิวติ้ง กำลังผลักดันความต้องการ SoC และระบบที่ซับซ้อนและมีประสิทธิภาพมากขึ้น สิ่งนี้จะขับเคลื่อนความต้องการประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นและความหนาแน่นของพลังงานในอุปกรณ์ไฟฟ้า วัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ถูกนำมาใช้เพื่อจัดการกับความท้าทาย โดยให้อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยมีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น แต่มีความซับซ้อนในการออกแบบเพิ่มขึ้น อ่านต่อเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งจำเป็นในการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์กำลังที่แปลงและควบคุมพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

วัสดุใหม่นำมาซึ่งประสิทธิภาพที่สูงขึ้นในฟอร์มแฟคเตอร์ที่เล็กลง

สวิตช์เซมิคอนดักเตอร์กำลังและกลไกควบคุมจะถ่ายโอนพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่ง โดยจ่ายพลังงานที่ได้รับการควบคุมและควบคุมไปยังระบบปลายทาง เดิมที อุปกรณ์กำลังได้รับการพัฒนาด้วยเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์ (MOS) ตัวอย่างเช่น พาวเวอร์มอสเฟต (หรือทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม MOS) ควบคุมกระแสไฟสูงหรือกำลังในวงจร และมักพบเป็นส่วนประกอบแยกกันในอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งและตัวควบคุมมอเตอร์ ไอซีการจัดการพลังงาน (PMIC) ซึ่งฝังอยู่ในชิปซิลิคอนมาตรฐานหรือใช้เป็นอุปกรณ์สแตนด์อโลน ทำหน้าที่ต่างๆ รวมถึงการแปลง DC เป็น DC การชาร์จแบตเตอรี่ และการปรับแรงดันไฟฟ้า PMICs เป็นตลาดที่ใช้ MOS

อย่างไรก็ตาม ขณะนี้ SiC และ GaN ถูกนำมาใช้เนื่องจากมีความต้านทานต่ำ รวมถึงความสามารถในการทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้น และใช้ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้น วัสดุทั้งสองให้ประสิทธิภาพและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่า SiC กำลังได้รับความสนใจสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฟฟ้าแบบปลั๊กอินไฮบริด และกำลังได้รับการสำรวจสำหรับระบบขนส่งขนาดใหญ่ เช่น รถไฟ รถบรรทุก เครื่องบิน และเรือ ภายในสิ้นทศวรรษนี้ SiC คาดว่าจะเป็นวัสดุชั้นนำในอุปกรณ์ไฟฟ้า นักออกแบบเครื่องชาร์จแล็ปท็อปกำลังย้ายจาก MOS ไปใช้ GaN เนื่องจากแหล่งจ่ายไฟอาจมีขนาดเล็กลงและมีประสิทธิภาพมากขึ้นพร้อมความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้น

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพลังงาน สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับประสิทธิภาพคือความต้านทาน ON ความต้านทานทำให้เกิดความร้อนซึ่งแสดงถึงการสูญเสียพลังงาน เมื่อทรานซิสเตอร์เปิดอยู่ ความต้านทานจากอินพุตไปยังเอาต์พุตเป็นเท่าใด เมื่อเปรียบเทียบกับ MOS แล้ว SiC และ GaN ทั้งคู่มีความต้านทานต่ำกว่า ทำให้น่าดึงดูดสำหรับการขับเคลื่อนประสิทธิภาพในระบบที่มากขึ้น

ไดรฟ์สำหรับอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ไม่ว่าจะใน MOS, SiC หรือ GaN จำเป็นต้องมีการออกแบบที่ใหญ่ขึ้นเพื่อลดความต้านทาน ON สิ่งนี้จะสร้างความท้าทายในการออกแบบเพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์จะเปิดได้อย่างสม่ำเสมอ หากส่วนหนึ่งของอุปกรณ์ใช้เวลาเปิดนานขึ้น กระแสรวมจะไหลผ่านส่วนที่เปิดอยู่ ทำให้เกิดความหนาแน่นกระแสสูงกว่าที่คาดไว้ และส่งผลต่อความน่าเชื่อถือ

เนื่องจากการกำหนดเส้นทางที่ซับซ้อนของอุปกรณ์ไฟฟ้า จึงมีเครื่องมือเฉพาะทางจำนวนหนึ่งปรากฏขึ้นเพื่อวิเคราะห์ประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดการออกแบบเพิ่มขึ้น เครื่องมือเหล่านี้จำนวนมากก็ขาดความจุตามที่ต้องการ นอกจากนี้ เพื่อให้การวิเคราะห์ที่สมบูรณ์ สิ่งสำคัญคือต้องรวมผลกระทบของแพ็คเกจด้วย

เห็นได้ชัดว่าด้วยความกดดันด้านการแข่งขันที่ไม่หยุดหย่อนและเป้าหมายด้านเวลาออกสู่ตลาดเชิงรุก จำเป็นต้องมีวิธีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เชื่อถือได้และมีอายุการใช้งานยาวนานซึ่งแอปพลิเคชันจำนวนมากต้องการ

โซลูชันสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพอุปกรณ์กำลัง

โซลูชันที่ทำให้กระบวนการเพิ่มประสิทธิภาพอุปกรณ์ไฟฟ้าเป็นไปโดยอัตโนมัติจะช่วยได้มากในการลดเวลาตอบสนองไปพร้อมๆ กับการบรรลุเป้าหมายด้านคุณภาพ Synopsys Power Device WorkBench เป็นหนึ่งในวิธีแก้ปัญหาดังกล่าว ออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทรานซิสเตอร์กำลัง Power Device WorkBench ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือโดยการวิเคราะห์และจำลองความต้านทานและการไหลของกระแสอย่างระมัดระวังภายในการเชื่อมต่อระหว่างโลหะที่ซับซ้อน วิศวกรสามารถปรับการออกแบบของตนให้เหมาะสมสำหรับพารามิเตอร์ต่างๆ รวมถึงพื้นที่ ความน่าเชื่อถือ เวลา และอุณหภูมิ โซลูชันนี้มีกลไกจำลองความเร็วสูง จึงสามารถแก้ไขการละเมิดการโยกย้ายด้วยไฟฟ้าได้โดยอัตโนมัติ และระบุตำแหน่งที่ควรปรับปรุงเค้าโครงของการออกแบบเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและเวลา

จึงไม่น่าแปลกใจเลยว่าทำไมตลาดอิเล็กทรอนิกส์กำลังถึงมาแรงในตอนนี้ อุปกรณ์ไฟฟ้ามีความจำเป็นอย่างยิ่งในหลายพื้นที่ อุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ที่หลากหลายที่เราใช้ทุกวันเป็นตัวขับเคลื่อนสำคัญต่อการเติบโต เช่นเดียวกับแนวโน้มที่เพิ่มขึ้นในการใช้พลังงานไฟฟ้าของยานพาหนะและพลังงานหมุนเวียน อย่างไรก็ตาม ตัวอุปกรณ์เองยังคงมีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากวิศวกรมุ่งมั่นที่จะรวมฟังก์ชันการทำงานเพิ่มเติมไว้ในชิปตัวเดียว ขณะเดียวกันก็ตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพที่มีประสิทธิภาพและขนาดที่เล็ก โซลูชันการเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานที่สมบูรณ์แบบ เช่น Power Device WorkBench จัดการกับความท้าทายเหล่านี้ เช่นเดียวกับที่นำเสนอด้วยวัสดุใหม่ที่ช่วยให้อุปกรณ์เหล่านี้มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น