- GaN nastaje kao izbor materijala za RF snage poluvodiče
- Potencijalni izazovi koji ograničavaju širenje RF poluvodiča u EV i HEV
- Izazovi pakiranja plijene pažnju
- Bolja budućnost za WBG - postoji li ih?
- Što namjeravaju Behemoti u industriji
- Potražnja za RF električnim poluvodičima raste u azijsko-pacifičkoj regiji
Iako će sve veći broj uvođenja 5G i uspona prodaje potrošačkih elektroničkih uređaja pretežno stvoriti povoljno okruženje za rast potražnje za RF poluvodičima, automobilska industrija također ostaje među ključnim potrošačkim područjima RF modula snage.
Trenutno automobilska industrija prolazi kroz dinamičnu električnu i digitalnu revoluciju. Sve veći broj vozila podložan je elektrifikaciji, autonomiji i spremnosti za povezivanje. Sve se svodi na rastuću važnost energetske učinkovitosti i višestruko će ubrzati transformaciju automobilske industrije. Međutim, važan aspekt koji će ostati presudan za ovu transformaciju je RF poluvodič snage, koji je igrao ključnu ulogu u omogućavanju EV-a i hibridnih EV-a (HEV).
Sudjelujući u industriji u smjeni "nulte emisije", vodeći svjetski proizvođači automobila poduzimaju izvanredne napore u pojačavanju svojih projekata elektrifikacije vozila. Projekcije vođene istraživanjem pokazuju da većina OEM- a vidno promatra ciljeve za EV i HEV-ove koji će se postići 2025. Ovaj scenarij jasno potiče na značajne mogućnosti za visoko učinkovite RF poluvodiče snage koji bi učinkovito funkcionirali na povišenim temperaturama. Stoga proizvođači RF modula snage neprestano usredotočuju svoje strategije na razvoj proizvoda temeljenih na SiC (silicijev karbid), GaN (galij nitrid) i WBG (širokopojasni razmak) tehnologijama.
GaN nastaje kao izbor materijala za RF snage poluvodiče
Unatoč brojnim istraživačko-razvojnim naporima koji prevladavaju u području poluvodiča WBG, varijanta SiC ostala je tradicionalni izbor za EV i HEV, tijekom nedavne prošlosti. Međutim, s druge strane, SiC je već stigao u zrelost na tržištu i izazivaju ga druge konkurentske tehnologije koje se nad njim nadmeću - posebno u slučaju energetske elektronike i drugih zahtjevnih primjena u električnim i hibridnim električnim vozilima.
Dok EV i HEV obično koriste RF poluprovodnike zasnovane na SiC-u za regulaciju istosmjernih / istosmjernih pretvarača u pogonskom sustavu, vrijeme prijelaza nastoji ograničiti njihove komutacijske frekvencije između 10 kHz i 100 kHz. Trenutno gotovo svaki proizvođač automobila širom svijeta ulaže napore u inovativne oko GaN dizajna RF poluprovodnika snage.
Uvođenje poluvodiča GaN obećalo je potencijalno prevladavanje ovog dugotrajnog izazova omogućavanjem vremena prebacivanja unutar nanosekundnog opsega i rada na temperaturama visokim od 200 ° C. Brža funkcionalnost poluvodiča GaN rezultira visokom frekvencijom komutacije i time malim gubicima kod komutacije. Štoviše, manja snaga elektroničke glasnoće rezultira smanjenom ukupnom težinom, što naknadno podržava laganu i veću učinkovitost.
Nekoliko studija zagovara de facto potencijal poluvodiča na osnovi GaN za pretvorbu velike snage pri velikim brzinama. Prelazak na novu eru energetske elektronike koja bi najbolje nadopunila cilj EV-a i HEV-a, ključni atributi poluvodičkih materijala GaN-a, poput superiorne brzine prebacivanja, visokih radnih temperatura, manjih gubitaka prekida i provodljivosti, pakiranja kompaktne veličine i potencijalnih troškova konkurentnost, nastavit će postavljati RF poluvodiče sa sjedištem na GaN-u u odnosu na sve ostale kolege.
Potencijalni izazovi koji ograničavaju širenje RF poluvodiča u EV i HEV
Unatoč svim inovacijama i pozitivnim ishodima koji ulaze na tržišta, i dalje ostaje nekoliko izazova koji predstavljaju prepreku funkcionalnosti RF poluvodiča u električnim vozilima. Napokon, vožnja komponente velike snage u roku od nanosekundi složen je posao i dolazi s višestrukim poteškoćama koje tek treba riješiti. Jedan od najistaknutijih izazova je poboljšanje napona. Poboljšanje učinkovite operativnosti na višim temperaturama bez mijenjanja konvencionalnih izvedbi još je jedan važan izazov koji i dalje bilježi interese istraživanja i razvoja u RF području poluvodiča.
Činjenica više puta naglašava da su primjene energetskih elektroničkih modula u EV i HEV vrlo zahtjevne i da se njihove performanse ne oslanjaju samo na inovacije koje se temelje na naponu i performansama. Stalni napori u pogledu poboljšanja strukturnih i dizajnerskih tehnologija osiguravaju izdržljivost, pouzdanost i toplinsku otpornost RF uređaja u hibridnim i električnim vozilima s potpuno akumulatorima.
Izazovi pakiranja plijene pažnju
Iako je izobličenje okolnih elektroničkih dijelova još jedan faktor koji izaziva prikladnost RF poluvodičkih uređaja u EV izvedbama, EMC (epoksidna smjesa) poluprovodnička ambalaža pojavila se kao vrlo unosno područje istraživanja, jer omogućuje rad bez ometanja susjednih elektroničkih komponenata.
Štoviše, iako se prekomponirani moduli RF snage već doživljavaju kao glavni tok bliske budućnosti, projekti još uvijek imaju prostora za poboljšanje u pogledu upravljanja toplinom. Vodeće tvrtke u RF poluvodičkim krajevima naglašavaju širenje svojih napora vezanih uz pakiranje kako bi postigle poboljšanu pouzdanost za upotrebu u električnim vozilima.
Bolja budućnost za WBG - postoji li ih?
U pozadini zrelosti SiC-a i dokazane superiornosti GaN-a, tržište međutim ne uspijeva razriješiti probleme pouzdanosti povezane s WBG-om, što na kraju ograničava prodor na tržište poluvodiča tipa WBG tipa FR na duži rok. Jedini način za postizanje konstrukcije robusnijih poluvodiča tipa WBG leži u dubljem razumijevanju njihovih mehanizama otkaza u teškim radnim uvjetima. Stručnjaci također smatraju da WBG može postići zrelost na tržištu bez ikakve konkretne strateške potpore koja bi ponovno uspostavila njihovu pouzdanost za daljnju upotrebu.
Što namjeravaju Behemoti u industriji
Wolfspeed, američka tvrtka Cree Inc., specijalizirana za premium SiC i GaN RF proizvode, nedavno je lansirala novi proizvod koji donosi više od 75% smanjenja pretvarača u EV pogonu. S tako poboljšanom učinkovitošću, inženjeri će vjerojatno otkriti nove parametre za inoviranje u smislu upotrebe baterije, dometa, dizajna, upravljanja toplinom i pakiranja.
Visokonaponski sklopovi pretvarača u električnim i hibridnim električnim vozilima generiraju puno topline i ovaj problem treba riješiti učinkovitim mehanizmom hlađenja. Istraživanje uvijek iznova preporučuje da je smanjenje veličine i težine pretvarača ključ postizanja poboljšanog hlađenja automobilskih komponenata u EV-ovima i HEV-ima.
Slično tome, većina čelnika u industriji (na primjer , Hitachi, Ltd.) i dalje je usredotočena na masu i veličinu pretvarača uz pomoć tehnologije dvostrukog hlađenja koja koristi tekućinu ili zrak za izravno hlađenje željene visoke naponski RF modul napajanja. Takav mehanizam također omogućuje kompaktnost i fleksibilnost cjelokupnog dizajna, a time i napore na smanjenju gubitaka u proizvodnji električne energije.
Radujući se važnosti kompaktnog dizajna za povećanje primjenjivosti RF snage poluvodiča u električnim vozilima, poput Mitsubishi-jevog ultrakompaktnog SiC-pretvarača pojavljuje se kao pokretač. Mitsubishi Electric Corporation posebno je razvio ovaj ultrakompaktni RF uređaj za hibridne EV-ove i tvrdi da je to najmanji SiC uređaj te vrste u svijetu. Smanjen volumen pakiranja ovog uređaja troši znatno manje prostora u unutrašnjosti vozila i time podupire veću učinkovitost goriva i energije. Komercijalizacija uređaja očekuje se u sljedećih nekoliko godina. Djelomično podržana od strane Organizacije za razvoj nove energije i industrijske tehnologije (NEDO, Japan), tvrtka će uskoro započeti i masovnu proizvodnju ultrakompaktnog SiC pretvarača.
Prošle je godine lansirana prva revolucionarna programabilna upravljačka jedinica na terenu (FPCU) kao nova poluvodička arhitektura koja može biti potencijalno odgovorna za povećanje dometa i performansi električnih i hibridnih električnih vozila. Ovaj RF poluvodički uređaj konstruirao je Silicon Mobility sa sjedištem u Francuskoj, s ciljem da omogući postojećim EV i HEV tehnologijama da postignu svoj maksimalan potencijal. Proizvodni partner tvrtke Silicon Mobility u razvoju FPCU-a je američki proizvođač poluvodiča - GlobalFoundries.
Potražnja za RF električnim poluvodičima raste u azijsko-pacifičkoj regiji
Kako se svijet brzo prebacuje na izvore energije s niskim udjelom ugljika kako bi postigao energetski učinkovit transport, pritisak na minimaliziranju ugljičnog otiska na energetski učinkovitim vozilima u zgradi. Čak i ako je masovna proizvodnja započeta prije samo desetak godina, tržište električnih vozila već nadmašuje tržište konvencionalnih vozila koja rade na ICE (motor s unutarnjim izgaranjem). Stopa širenja bivši je navodno gotovo 10X da je od kasnije i krajem 2040. godine, više od trećine rd od ukupne prodaje novih vozila bit će obračunati po EVS-a.
Najnoviji podaci Kineskog udruženja proizvođača automobila podrazumijevaju da je samo u Kini 2016. godine prodano preko pola milijuna EV-a, koji su uglavnom uključivali gospodarska vozila i autobuse. Iako će Kina dugoročno ostati najveće tržište za električna vozila, stopa proizvodnje električnih vozila u cijeloj je azijsko-pacifičkoj regiji bila na konstantnom nivou.
Uz znatno procvjetalu industriju potrošačke elektronike, regija odnedavno svjedoči i značajnom rastu tržišta električnih vozila, stvarajući tako snažnu priliku za prodor RF poluprovodnika snage, po mogućnosti na osnovi GaN-a.
Globalna procjena tržišta RF poluvodiča snage otprilike iznosi 12 milijardi američkih dolara (na kraju 2018. godine). Zahvaljujući probojnim mogućnostima koje proizlaze iz pojave 5G tehnologije, opsežnom usvajanju infrastrukture bežične mreže i IIoT (Industrial Internet of Things) tehnologiji, prosperitetnom pogledu na krajolik potrošačke elektronike i rastućoj prodaji električnih vozila (EV), prihodi od tržišta RF električnih poluvodiča vjerojatno će se rasti do impresivnih 12% složene godišnje stope rasta do 2027. godine.
Aditi Yadwadkar iskusan je pisac istraživanja tržišta i opširno je pisao o industriji elektronike i poluvodiča. U Future Market Insights (FMI) blisko surađuje s istraživačkim timom za elektroniku i poluvodiče kako bi zadovoljila potrebe klijenata iz cijelog svijeta. Ti se uvidi temelje na nedavnoj studiji o RF Power Semiconductor Marketu koju je proveo FMI.