Podstawowa rola półprzewodników mocy RF w rewolucji EV

Chociaż stale rosnąca liczba wdrożeń 5G i rosnąca sprzedaż konsumenckich urządzeń elektronicznych w przeważającej mierze stworzy korzystne środowisko dla wzrostu popytu na półprzewodniki mocy RF, przemysł motoryzacyjny również pozostaje jednym z kluczowych obszarów konsumenckich modułów mocy RF.

Obecnie branża motoryzacyjna przechodzi dynamiczną rewolucję elektryczną i cyfrową. Rosnąca liczba pojazdów podlega elektryfikacji, autonomii i gotowości do łączności. Wszystko sprowadza się do rosnącego znaczenia efektywności energetycznej i wielorakie przyspieszenie transformacji przemysłu motoryzacyjnego. Jednak ważnym aspektem, który pozostanie kluczowy dla przeprowadzenia tej transformacji, jest półprzewodnik mocy RF, ponieważ odegrał kluczową rolę we wprowadzaniu pojazdów elektrycznych i hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV).

Uczestnicząc w zmianie branży „zero emisji”, czołowi światowi producenci samochodów podjęli niezwykłe wysiłki w celu przyspieszenia projektów elektryfikacji pojazdów. Prognozy oparte na badaniach wskazują, że większość producentów OEM wyraźnie zwraca uwagę na cele dotyczące pojazdów elektrycznych i HEV, które mają zostać osiągnięte w 2025 r. Scenariusz ten wyraźnie wskazuje na znaczące możliwości dla wysoce wydajnych półprzewodników mocy RF, które mogłyby skutecznie działać w podwyższonych temperaturach. Producenci modułów mocy RF nieustannie koncentrują swoje strategie na rozwoju produktów opartych na technologiach SiC (węglik krzemu), GaN (azotek galu) i WBG (szeroka przerwa energetyczna).

GaN pojawiający się jako wybór materiału do półprzewodników mocy RF

Pomimo wielu prac badawczo-rozwojowych dominujących w dziedzinie półprzewodników WBG, wariant SiC pozostał tradycyjnym wyborem dla pojazdów elektrycznych i HEV w niedawnej przeszłości. Jednak z drugiej strony SiC osiągnął już etap dojrzałości na rynku i stoi przed wyzwaniem dla innych konkurencyjnych technologii, które zdobywają na nim popularność - szczególnie w przypadku energoelektroniki i innych wymagających zastosowań w pojazdach elektrycznych i hybrydowych pojazdach elektrycznych.

Podczas gdy pojazdy EV i HEV zwykle wykorzystują półprzewodniki RF oparte na SiC do regulacji przetworników DC / DC w układzie napędowym, czas przejścia ogranicza ich częstotliwości przełączania między 10 kHz a 100 kHz. Obecnie prawie każdy producent samochodów na całym świecie podejmuje wysiłki w zakresie innowacyjnych projektów GaN półprzewodników mocy RF.

Wprowadzenie półprzewodnika GaN stanowiło obietnicę potencjalnego rozwiązania tego długotrwałego wyzwania, umożliwiając czas przełączania w zakresie nanosekund i działanie w temperaturach dochodzących do 200 ° C. Szybsza funkcjonalność półprzewodnika GaN skutkuje wysoką częstotliwością przełączania, a tym samym niską stratą przełączania. Co więcej, mniejsza pojemność elektroniki mocy przekłada się na mniejszą masę całkowitą, co w konsekwencji zapewnia lekkość i oszczędność większej wydajności.

Kilka badań wskazuje na faktyczny potencjał półprzewodnika na bazie GaN do konwersji dużej mocy z dużą prędkością. Przejście do nowej ery energoelektroniki, która najlepiej uzupełniałaby cele pojazdów elektrycznych i HEV, kluczowe cechy materiałów półprzewodnikowych GaN, takie jak doskonała prędkość przełączania, wysokie temperatury robocze, mniejsze straty przełączania i przewodności, kompaktowe opakowanie i potencjalny koszt konkurencyjność, będzie nadal umieszczać półprzewodniki RF na bazie GaN nad wszystkimi innymi odpowiednikami.

Potencjalne wyzwania ograniczające rozległość półprzewodników mocy RF w pojazdach EV i HEV

Pomimo wszystkich innowacji i pozytywnych wyników pojawiających się na rynkach, nadal pozostaje kilka wyzwań jako przeszkód dla funkcjonalności półprzewodników mocy RF w pojazdach elektrycznych. W końcu prowadzenie podzespołu o dużej mocy w ciągu nanosekund jest złożonym obowiązkiem i wiąże się z wieloma trudnościami, które nie zostały jeszcze rozwiązane. Jednym z najważniejszych wyzwań jest poprawa wartości napięcia. Poprawa wydajnej obsługi w wyższych temperaturach bez zmiany konwencjonalnych projektów jest kolejnym ważnym wyzwaniem, które nadal przyciąga zainteresowania badawczo-rozwojowe w dziedzinie półprzewodników RF.

Fakt ten wielokrotnie podkreśla, że ​​zastosowania modułów energoelektronicznych w pojazdach EV i HEV są bardzo wymagające, a ich działanie nie zależy tylko od innowacji opartych na napięciu i wydajności. Stały nacisk w zakresie ulepszania konstrukcji i technologii projektowych zapewnia trwałość, niezawodność i odporność termiczną urządzeń RF w pojazdach hybrydowych i czysto akumulatorowych.

Uwagę zwracają wyzwania związane z opakowaniami

Podczas gdy zniekształcenie otaczających części elektronicznych było kolejnym czynnikiem utrudniającym przydatność urządzeń półprzewodnikowych RF w projektach pojazdów elektrycznych, opakowania półprzewodników EMC (żywica epoksydowa) stały się wysoce lukratywnym obszarem badań, ponieważ umożliwiają działanie bez zakłócania pracy sąsiednich elementów elektronicznych.

Co więcej, mimo że moduły mocy RF typu overmolded są już postrzegane jako główny nurt najbliższej przyszłości, projekty te nadal wymagają ulepszeń w zakresie zarządzania termicznego. Wiodące firmy w branży półprzewodników RF kładą zatem nacisk na poszerzenie swoich wysiłków związanych z opakowaniami, aby uzyskać lepszą niezawodność w zastosowaniach w pojazdach elektrycznych.

Lepsza przyszłość dla WBG - czy istnieje?

W kontekście dojrzałości SiC i udowodnionej przewagi GaN, rynek nie rozwiązuje jednak problemów związanych z niezawodnością związanych z WBG, co ostatecznie ogranicza penetrację rynku półprzewodników typu WBG FR w dłuższej perspektywie. Jedynym sposobem uzyskania inżynierii bardziej wytrzymałych półprzewodników typu WBG jest głębsze zrozumienie mechanizmów ich awarii w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Eksperci są również zdania, że ​​WBG może osiągnąć dojrzałość na rynku bez żadnego konkretnego wsparcia strategicznego, które przywróciłoby ich wiarygodność do dalszego wykorzystania.

Co zamierzają Behemoty z branży

Wolfspeed, amerykańska firma Cree Inc. specjalizująca się w wysokiej jakości produktach zasilających SiC i GaN RF, niedawno wprowadziła na rynek nowy produkt, który zapewnia ponad 75% redukcję strat falownika w układzie napędowym EV. Przy takiej zwiększonej wydajności inżynierowie prawdopodobnie odkryją nowe parametry, aby wprowadzić innowacje w zakresie użytkowania baterii, zasięgu, projektu, zarządzania temperaturą i opakowania.

Obwody wysokiego napięcia falowników w pojazdach elektrycznych i hybrydowych pojazdach elektrycznych generują dużo ciepła i problem ten należy rozwiązać za pomocą wydajnego mechanizmu chłodzenia. Badania wielokrotnie wskazywały, że zmniejszenie rozmiarów i ciężaru falowników jest kluczem do osiągnięcia lepszego chłodzenia komponentów samochodowych w pojazdach elektrycznych i HEV.

Na podobnej linii większość liderów w branży (na przykład Hitachi, Ltd.) koncentruje się na masie i rozmiarze falownika za pomocą technologii podwójnego chłodzenia, która wykorzystuje ciecz lub powietrze do bezpośredniego chłodzenia żądanego wysokiego napięciowy moduł mocy RF. Taki mechanizm umożliwia także zwiększenie zwartości i elastyczności całej konstrukcji, a tym samym wysiłków zmierzających do zmniejszenia strat wytwarzania energii.

Patrząc na znaczenie kompaktowej konstrukcji dla zwiększenia możliwości zastosowania półprzewodników mocy RF w pojazdach elektrycznych, takie ultrakompaktowe falowniki SiC Mitsubishi wyłaniają się jako pionier. Mitsubishi Electric Corporation specjalnie opracowała ten ultrakompaktowy zasilacz RF do hybrydowych pojazdów elektrycznych i twierdzi, że jest to najmniejsze na świecie urządzenie SiC tego typu. Zmniejszona objętość opakowania tego urządzenia zajmuje znacznie mniej miejsca we wnętrzu pojazdu, a tym samym stanowi podstawę wyższej efektywności paliwowej i energetycznej. Komercjalizacja urządzenia jest przewidywana w ciągu najbliższych kilku lat. Firma, częściowo wspierana przez organizację New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japonia), rozpocznie wkrótce masową produkcję ultrakompaktowego falownika SiC.

W ubiegłym roku wprowadzono na rynek pierwszą w branży rewolucyjną programowalną jednostkę sterującą (FPCU) jako nowatorską architekturę półprzewodnikową, która może być potencjalnie odpowiedzialna za zwiększenie zasięgu i wydajności pojazdów elektrycznych i hybrydowych. To półprzewodnikowe urządzenie RF zostało zaprojektowane przez Silicon Mobility z siedzibą we Francji, w celu umożliwienia istniejącym technologiom EV i HEV osiągnięcia maksymalnego potencjału. Partnerem produkcyjnym Silicon Mobility w rozwoju FPCU jest amerykański producent półprzewodników - GlobalFoundries.

Wzrośnie zapotrzebowanie na półprzewodniki mocy RF w regionie Azji i Pacyfiku

Ponieważ świat szybko przechodzi na niskoemisyjne źródła energii, aby osiągnąć energooszczędny transport, presja minimalizacji śladu węglowego na energooszczędnych pojazdach w trakcie budowy. Nawet jeśli masowa produkcja rozpoczęła się zaledwie dziesięć lat temu, rynek pojazdów elektrycznych już wyprzedza rynek konwencjonalnych pojazdów napędzanych ICE (silnik spalinowy). Tempo ekspansji były to podobno prawie 10x że z później i pod koniec 2040 roku, ponad 1/3 ^rd całkowitej sprzedaży nowych pojazdów będą rozliczane przez EVS.

Z najnowszych danych Chińskiego Stowarzyszenia Producentów Samochodów wynika, że ​​w samych Chinach w roku 2016 sprzedano ponad pół miliona pojazdów elektrycznych, w tym głównie pojazdy użytkowe i autobusy. Chociaż w dłuższej perspektywie Chiny pozostaną największym rynkiem dla pojazdów elektrycznych, tempo ich produkcji utrzymuje się na stałym wysokim poziomie w całym regionie Azji i Pacyfiku.

Oprócz szybko rozwijającego się przemysłu elektroniki użytkowej w regionie obserwuje się ostatnio znaczny wzrost rynku pojazdów elektrycznych, stwarzając tym samym duże możliwości penetracji półprzewodników mocy RF, najlepiej opartych na GaN.

Globalna wycena rynku półprzewodników mocy o częstotliwości radiowej wynosi około 12 mld USD (na koniec 2018 r.). Dzięki przełomowym możliwościom wynikającym z pojawienia się technologii 5G, szerokiemu zastosowaniu infrastruktury sieci bezprzewodowej i technologii IIoT (Industrial Internet of Things), dobrze prosperującym krajobrazowi elektroniki użytkowej i rosnącej sprzedaży pojazdów elektrycznych (EV), przychody z rynku półprzewodników mocy RF prawdopodobnie wzrosną w imponującym 12% złożonym rocznym tempie wzrostu do 2027 roku.

Aditi Yadwadkar jest doświadczonym autorem badań rynku i obszernie pisał o branży elektronicznej i półprzewodników. W Future Market Insights (FMI) ściśle współpracuje z zespołem badawczym Electronics and Semiconductor, aby zaspokajać potrzeby klientów z całego świata. Te spostrzeżenia są oparte na niedawnym badaniu rynku półprzewodników mocy RF przeprowadzonego przez FMI.