Tại sao thị trường thiết bị điện lại hot hiện nay?

Việc sử dụng ngày càng nhiều xe điện (EV) và các nguồn năng lượng tái tạo đang đặt sự chú ý vào các thiết bị bán dẫn điện. Những thiết bị điện này luôn đóng vai trò thiết yếu trong việc xác định hiệu suất của nhiều hệ thống khác nhau, từ thiết bị điện tử gia dụng nhỏ đến thiết bị sử dụng ngoài vũ trụ. Nhưng khi những lời kêu gọi giảm lượng khí thải carbon ngày càng lớn, thị trường cho những con chip này tiếp tục phát triển - từ 41.81 tỷ USD năm nay lên 49.23 tỷ USD vào năm 2028, theo báo cáo. Trí thông minh.

Sự bùng nổ của các ứng dụng di động cùng với sự tăng trưởng của thị trường xe điện, năng lượng tái tạo và điện toán đám mây đang thúc đẩy nhu cầu về các hệ thống và SoC phức tạp và hiệu quả hơn. Điều này lại thúc đẩy nhu cầu tăng hiệu quả và mật độ năng lượng trong các thiết bị điện. Các vật liệu cacbua silic (SiC) và gali nitrit (GaN) đang được áp dụng để giải quyết thách thức, cung cấp các thiết bị hiệu quả hơn với mật độ năng lượng cao hơn nhưng độ phức tạp trong thiết kế tăng lên. Đọc tiếp để tìm hiểu thêm về những điều cần thiết để phát triển chất bán dẫn công suất giúp chuyển đổi và kiểm soát năng lượng điện một cách hiệu quả.

Vật liệu mới mang lại hiệu quả cao hơn ở dạng nhỏ hơn

Các công tắc và cơ chế điều khiển bán dẫn công suất truyền năng lượng từ dạng này sang dạng khác, cung cấp năng lượng được điều chỉnh và kiểm soát cho hệ thống cuối. Theo truyền thống, các thiết bị điện được phát triển bằng công nghệ bán dẫn oxit kim loại (MOS). Ví dụ, MOSFET công suất (hoặc bóng bán dẫn hiệu ứng trường MOS) điều khiển dòng điện hoặc công suất cao trong mạch và thường được tìm thấy, dưới dạng các thành phần rời rạc, trong chuyển mạch nguồn điện và bộ điều khiển động cơ. IC quản lý nguồn (PMIC), được nhúng vào chip silicon tiêu chuẩn hoặc được sử dụng làm thiết bị độc lập, thực hiện các chức năng bao gồm chuyển đổi DC-to-DC, sạc pin và điều chỉnh điện áp. PMIC là một thị trường dựa trên MOS.

Tuy nhiên, SiC và GaN hiện đang được sử dụng do điện trở suất thấp hơn cũng như khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn và sử dụng tần số chuyển mạch cao hơn. Cả hai vật liệu đều mang lại hiệu suất và mật độ năng lượng cao hơn. SiC đang thu hút sự quan tâm đối với xe điện và xe điện hybrid cắm điện, đồng thời đang được khám phá cho các hệ thống giao thông lớn hơn, chẳng hạn như tàu hỏa, xe tải, máy bay và thuyền. Vào cuối thập kỷ này, SiC được dự đoán sẽ là vật liệu hàng đầu trong các thiết bị điện. Các nhà thiết kế bộ sạc máy tính xách tay đang chuyển từ MOS sang GaN vì nguồn điện có thể nhỏ hơn và hiệu quả hơn với độ tin cậy cao hơn.

Để tối ưu hóa năng lượng, khía cạnh quan trọng nhất đối với hiệu quả là điện trở BẬT. Điện trở gây ra nhiệt, tượng trưng cho sự mất điện. Khi bóng bán dẫn bật, điện trở từ đầu vào đến đầu ra là bao nhiêu? So với MOS, SiC và GaN đều có điện trở thấp hơn, khiến chúng trở nên hấp dẫn để mang lại hiệu quả cao hơn trong hệ thống.

Bộ điều khiển dành cho các thiết bị hiệu quả hơn, dù ở dạng MOS, SiC hay GaN, đều yêu cầu các thiết kế lớn hơn để giảm điện trở BẬT. Điều này lại tạo ra thách thức về mặt thiết kế trong việc đảm bảo thiết bị được bật đồng đều. Nếu một phần của thiết bị mất nhiều thời gian hơn để bật, tổng dòng điện sẽ chạy qua phần được bật, gây ra mật độ dòng điện cao hơn dự kiến ​​và ảnh hưởng đến độ tin cậy.

Do việc định tuyến phức tạp của các thiết bị điện, một số công cụ chuyên dụng đã xuất hiện để phân tích chính xác hiệu quả và độ tin cậy. Tuy nhiên, khi kích thước thiết kế tăng lên, nhiều công cụ trong số này thiếu năng lực cần thiết. Ngoài ra, để đưa ra phân tích đầy đủ, điều quan trọng là phải tính đến tác động của gói.

Rõ ràng, với áp lực cạnh tranh không ngừng và các mục tiêu quyết liệt về thời gian đưa sản phẩm ra thị trường đang diễn ra, cần phải có một cách hiệu quả hơn để tạo ra các thiết bị điện bền bỉ, đáng tin cậy mà rất nhiều ứng dụng yêu cầu.

Giải pháp tối ưu hóa thiết bị điện

Một giải pháp tự động hóa quy trình để tối ưu hóa các thiết bị điện sẽ giúp ích rất nhiều trong việc rút ngắn thời gian xử lý đồng thời đạt được các mục tiêu chất lượng. Synopsys Power Device WorkBench là một trong những giải pháp như vậy. Được thiết kế để tối ưu hóa bóng bán dẫn điện, Power Device WorkBench nâng cao hiệu quả và độ tin cậy bằng cách phân tích và mô phỏng cẩn thận điện trở cũng như dòng điện trong các kết nối kim loại phức tạp. Các kỹ sư có thể tối ưu hóa thiết kế của họ về các thông số bao gồm diện tích, độ tin cậy, thời gian và nhiệt độ. Với công cụ mô phỏng hiệu suất cao, giải pháp có thể tự động khắc phục các vi phạm về di chuyển điện và xác định vị trí cần cải thiện bố cục của thiết kế để cải thiện hiệu quả và thời gian.

Không có gì ngạc nhiên khi thị trường điện tử công suất hiện nay lại hot đến vậy. Các thiết bị điện đơn giản là cần thiết trong rất nhiều lĩnh vực. Mảng thiết bị chạy bằng pin mà chúng ta sử dụng hàng ngày là động lực chính cho sự phát triển của chúng, cũng như xu hướng bùng nổ về điện khí hóa phương tiện và năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, bản thân các thiết bị tiếp tục trở nên phức tạp hơn khi các kỹ sư cố gắng tích hợp nhiều chức năng hơn vào các chip đơn lẻ đồng thời đáp ứng nhu cầu về hiệu suất hiệu quả và kích thước nhỏ. Một giải pháp tối ưu hóa năng lượng hoàn chỉnh như Power Device WorkBench sẽ giải quyết những thách thức này cũng như những thách thức do vật liệu mới gây ra giúp làm cho các thiết bị này hoạt động hiệu quả hơn nữa.