Чому ринок пристроїв живлення такий гарячий прямо зараз?

Зростаюче впровадження електромобілів (EV) і відновлюваних джерел енергії привертає увагу до силових напівпровідникових пристроїв. Ці пристрої живлення завжди були важливими для визначення ефективності різноманітних систем, від малої побутової електроніки до обладнання, що використовується в космосі. Але оскільки заклики скоротити викиди вуглекислого газу стають все гучнішими, ринок цих мікросхем продовжує процвітати — з 41.81 мільярда доларів США цього року до 49.23 мільярда доларів США до 2028 року, згідно з даними. Мордорська розвідка.

Вибух мобільних додатків разом із зростанням ринків електромобілів, відновлюваних джерел енергії та хмарних обчислень стимулюють попит на більш складні та ефективні ОС і системи. Це, у свою чергу, стимулює попит на підвищену ефективність і щільність потужності в силових пристроях. Карбід кремнію (SiC) і нітрид галію (GaN) застосовуються для вирішення цієї проблеми, створюючи більш ефективні пристрої з вищою щільністю потужності, але з підвищеною складністю конструкції. Читайте далі, щоб дізнатися більше про те, що потрібно для розробки силових напівпровідників, які ефективно перетворюють і контролюють електроенергію.

Нові матеріали підвищують ефективність при менших форм-факторах

Силові напівпровідникові перемикачі та механізми керування передають живлення з однієї форми в іншу, надаючи регульовану та контрольовану потужність кінцевій системі. Традиційно силові пристрої розроблялися за технологією металооксидних напівпровідників (MOS). Наприклад, силові МОП-транзистори (або МОП-польові транзистори) контролюють високий струм або потужність у ланцюгах і зазвичай зустрічаються як окремі компоненти в імпульсних джерелах живлення та контролерах двигунів. Мікросхеми управління живленням (PMIC), які або вбудовані в стандартні кремнієві мікросхеми, або використовуються як автономні пристрої, виконують такі функції, як перетворення постійного струму в постійний, заряджання батареї та масштабування напруги. PMIC – це ринок MOS.

Однак SiC і GaN зараз приймаються через їх нижчий питомий опір, а також здатність працювати при більш високих температурах і використовувати вищі частоти перемикання. Обидва матеріали забезпечують більш високу ефективність і щільність потужності. SiC набуває інтересу до електромобілів і гібридних електромобілів, що підключаються до електромережі, і вивчається для більших транспортних систем, таких як поїзди, вантажівки, літаки та човни. Очікується, що до кінця десятиліття SiC стане провідним матеріалом для енергетичних пристроїв. Розробники зарядних пристроїв для ноутбуків переходять від MOS до GaN, оскільки джерело живлення може бути меншим і ефективнішим із вищою надійністю.

Для оптимізації потужності найважливішим аспектом ефективності є опір увімкнення. Опір викликає тепло, що означає втрату потужності. Коли транзистор увімкнено, який опір від входу до виходу? Порівняно з MOS, SiC і GaN мають менший опір, що робить їх привабливими для підвищення ефективності систем.

Привід для більш ефективних пристроїв, будь то MOS, SiC або GaN, вимагає більших конструкцій для зменшення опору ON. Це, у свою чергу, створює проблему для забезпечення рівномірного ввімкнення пристрою. Якщо для ввімкнення частини пристрою потрібно більше часу, загальний струм протікає через увімкнену секцію, спричиняючи вищу за очікувану щільність струму та впливаючи на надійність.

Завдяки складній маршрутизації силових пристроїв на сцені з’явилася низка спеціалізованих інструментів для точного аналізу ефективності та надійності. Однак із збільшенням розміру конструкції багатьом із цих інструментів бракує необхідної потужності. Крім того, щоб забезпечити повний аналіз, важливо включити вплив пакета.

Зрозуміло, що в умовах постійного тиску конкуренції та агресивних цілей щодо виходу на ринок, потрібен більш ефективний спосіб створення надійних, довговічних пристроїв живлення, яких потребує багато програм.

Рішення для оптимізації живлення пристроїв

Рішення, яке автоматизує процес для оптимізації живлення пристроїв, значно скоротить час виконання робіт, одночасно досягнувши цільових показників якості. Synopsys Power Device WorkBench є одним із таких рішень. Розроблений для оптимізації силових транзисторів, Power Device WorkBench підвищує ефективність і надійність шляхом ретельного аналізу та моделювання опору та потоку струму в складних металевих з’єднаннях. Інженери можуть оптимізувати свої проекти за такими параметрами, як площа, надійність, час і температура. Завдяки механізму симуляції з високою пропускною здатністю це рішення може автоматично виправляти порушення електроміграції та визначати, де потрібно покращити макет проекту для підвищення ефективності та часу.

Не дивно, чому ринок силової електроніки зараз такий гарячий. Силові пристрої просто необхідні в багатьох сферах. Різноманітність пристроїв із живленням від акумуляторів, якими ми користуємося щодня, є ключовими факторами їх зростання, як і бурхливі тенденції електрифікації транспортних засобів і відновлюваних джерел енергії. Однак самі пристрої продовжують ускладнюватися, оскільки інженери прагнуть упакувати більше функціональних можливостей в окремі чіпи, одночасно задовольняючи вимоги щодо ефективної продуктивності та малих розмірів. Повне рішення для оптимізації енергоспоживання, таке як Power Device WorkBench, вирішує ці проблеми, а також виклики, пов’язані з новими матеріалами, які допомагають зробити ці пристрої ще ефективнішими.