- GaN становится одним из лучших материалов для изготовления высокочастотных силовых полупроводников
- Возможные проблемы, ограничивающие распространение силовых ВЧ полупроводников в электромобилях и сверхвысоких напряжениях
- Проблемы упаковки привлекают внимание
- Лучшее будущее для ГВБ - есть ли?
- Чем занимаются гиганты индустрии
- Спрос на высокочастотные силовые полупроводники в Азиатско-Тихоокеанском регионе резко возрастет
Несмотря на то, что постоянно растущее число развертываний 5G и рост продаж бытовой электроники в основном создают благоприятную среду для роста спроса на силовые ВЧ-полупроводники, автомобильная промышленность также остается одной из ключевых областей потребителей ВЧ-модулей.
В настоящее время автомобильная промышленность переживает динамичную электрическую и цифровую революцию. Растущее количество автомобилей подлежит электрификации, автономии и готовности к подключению. Все сводится к возрастающему значению энергоэффективности и многократному ускорению трансформации автомобильной промышленности. Однако важным аспектом, который по-прежнему будет иметь решающее значение для осуществления этого преобразования, является силовой ВЧ полупроводник, поскольку он сыграл ключевую роль в обеспечении электромобилей и гибридных электромобилей (HEV).
Участвуя в переходе к «нулевому уровню выбросов» в отрасли, ведущие мировые автопроизводители прилагают значительные усилия для расширения своих проектов электрификации автомобилей. Прогнозы, основанные на исследованиях, показывают, что большинство OEM-производителей уделяют особое внимание целевым показателям для электромобилей и HEV, которые должны быть достигнуты к 2025 году. Этот сценарий явно указывает на значительные возможности для высокоэффективных силовых полупроводников RF, которые будут эффективно работать при повышенных температурах. Таким образом, производители ВЧ-модулей питания постоянно сосредотачивают свои стратегии на разработке продуктов на основе технологий SiC (карбид кремния), GaN (нитрид галлия) и WBG (широкозонная запрещенная зона).
GaN становится одним из лучших материалов для изготовления высокочастотных силовых полупроводников
Несмотря на ряд исследований и разработок, преобладающих в области полупроводников WBG, вариант SiC оставался традиционным выбором для электромобилей и HEV в недавнем прошлом. Однако, с другой стороны, SiC уже достиг стадии зрелости на рынке, и ему бросают вызов другие технологии конкурентов, которые набирают силу, особенно в случае силовой электроники и других требовательных приложений в электрических и гибридных электромобилях.
В то время как электромобили и HEV обычно используют силовые ВЧ полупроводники на основе SiC для регулирования преобразователей постоянного / постоянного тока в трансмиссии, время перехода имеет тенденцию ограничивать их частоту переключения между 10 кГц и 100 кГц. В настоящее время почти все автомобилестроительные компании по всему миру прилагают усилия для создания инновационных конструкций силовых ВЧ полупроводников на основе GaN.
Введение полупроводника GaN обещало потенциально преодолеть эту давнюю проблему, обеспечив время переключения в наносекундном диапазоне и работу при температурах до 200 ° C. Более быстрое функционирование полупроводника GaN приводит к высокой частоте переключения и, следовательно, к низким потерям переключения. Кроме того, меньшая мощность электронного блока приводит к уменьшению общего веса, что впоследствии способствует облегчению и большей экономичности.
Несколько исследований доказывают фактический потенциал полупроводников на основе GaN для преобразования высокой мощности с высокой скоростью. Переход к новой эре силовой электроники, которая наилучшим образом дополняет цель электромобилей и HEV, ключевые характеристики полупроводниковых материалов GaN, такие как превосходная скорость переключения, высокие рабочие температуры, меньшие потери на переключение и проводимость, компактные размеры корпуса и потенциальная стоимость ВЧ-полупроводники на основе GaN будут по-прежнему уступать всем остальным аналогам.
Возможные проблемы, ограничивающие распространение силовых ВЧ полупроводников в электромобилях и сверхвысоких напряжениях
Несмотря на все инновации и положительные результаты, появляющиеся на рынках, по-прежнему остается несколько проблем, препятствующих использованию высокочастотных силовых полупроводников в электромобилях. В конце концов, управление мощным компонентом за наносекунды - это сложная задача, сопряженная с множеством трудностей, которые еще предстоит решить. Одна из самых важных задач - повышение номинального напряжения. Повышение эффективности работы при более высоких температурах без изменения традиционных конструкций - еще одна важная задача, которая продолжает привлекать интересы НИОКР в области радиочастотных полупроводников.
Этот факт неоднократно подчеркивает, что применение силовых электронных модулей в электромобилях и электромобилях очень требовательно, и их производительность зависит не только от инноваций, основанных на напряжении и производительности. Постоянное стремление к совершенствованию структурных и дизайнерских технологий обеспечивает долговечность, надежность и термическое сопротивление ВЧ-устройств в гибридных и чисто аккумуляторных электромобилях.
Проблемы упаковки привлекают внимание
В то время как искажение окружающих электронных компонентов было еще одним фактором, препятствующим пригодности ВЧ-полупроводниковых устройств в конструкциях электромобилей, упаковка полупроводников EMC (эпоксидная формовочная смесь) стала очень прибыльной областью исследований, поскольку она позволяет работать без нарушения работы соседних электронных компонентов.
Более того, хотя многослойные радиочастотные силовые модули уже воспринимаются как мейнстрим ближайшего будущего, в конструкции все еще есть возможности для улучшения с точки зрения управления температурой. Таким образом, ведущие компании в области производства высокочастотных полупроводников делают упор на расширение своих усилий, связанных с упаковкой, для повышения надежности использования в электромобилях.
Лучшее будущее для ГВБ - есть ли?
На фоне зрелости SiC и доказанного превосходства GaN рынок, тем не менее, не может решить проблемы надежности, связанные с WBG, что в конечном итоге ограничивает проникновение на рынок полупроводников FR типа WBG в долгосрочной перспективе. Единственный способ создать более прочные полупроводники типа WBG - это более глубокое понимание механизмов их отказа в суровых условиях эксплуатации. Эксперты также полагают, что ГВБ может достичь зрелости на рынке без какой-либо конкретной стратегической поддержки, которая восстановит их надежность для дальнейшего использования.
Чем занимаются гиганты индустрии
Wolfspeed, американская компания Cree Inc., специализирующаяся на высокопроизводительных ВЧ-продуктах на основе SiC и GaN, недавно выпустила новый продукт, который обеспечивает более чем 75% -ное сокращение потерь инвертора в трансмиссии электромобилей. Благодаря такой повышенной эффективности инженеры, вероятно, откроют новые параметры для инноваций с точки зрения использования батареи, дальности действия, дизайна, управления температурой и упаковки.
Высоковольтные схемы инверторов в электрических и гибридных электромобилях выделяют много тепла, и эту проблему необходимо решать с помощью эффективного механизма охлаждения. Исследования снова и снова рекомендуют, что уменьшение размера и веса инверторов является ключом к достижению улучшенного охлаждения автомобильных компонентов в электромобилях и HEV.
Аналогичным образом, большинство лидеров отрасли (например, Hitachi, Ltd.) по-прежнему сосредоточены на массе и размере инвертора с помощью технологии двойного охлаждения, которая использует либо жидкость, либо воздух для непосредственного охлаждения желаемой высокой мощности. напряжение RF модуль питания. Такой механизм также позволяет повысить компактность и гибкость всей конструкции и, таким образом, усилить усилия по снижению потерь при выработке электроэнергии.
Принимая во внимание важность компактной конструкции для повышения применимости силовых ВЧ полупроводников в электромобилях, подобные сверхкомпактные SiC инверторы Mitsubishi выступают в качестве первопроходцев. Компания Mitsubishi Electric Corporation специально разработала этот сверхкомпактный ВЧ-источник питания для гибридных электромобилей и утверждает, что это самое маленькое в мире устройство на основе SiC в своем роде. Уменьшенный объем упаковки этого устройства занимает значительно меньше места в салоне автомобиля и, таким образом, обеспечивает более высокую топливную и энергетическую эффективность. Коммерциализация устройства ожидается в ближайшие пару лет. Компания, частично поддерживаемая Организацией по развитию новой энергетики и промышленных технологий (NEDO, Япония), вскоре также приступит к массовому производству сверхкомпактного инвертора SiC.
В прошлом году был запущен первый в отрасли революционный программируемый блок управления (FPCU) как новая полупроводниковая архитектура, которая потенциально может нести ответственность за увеличение дальности и производительности электрических и гибридных электромобилей. Это полупроводниковое ВЧ-устройство разработано компанией Silicon Mobility, расположенной во Франции, с целью раскрыть максимальный потенциал существующих технологий электромобилей и сверхвысокого напряжения. Производственным партнером Silicon Mobility в разработке FPCU является американский производитель полупроводников GlobalFoundries.
Спрос на высокочастотные силовые полупроводники в Азиатско-Тихоокеанском регионе резко возрастет
Поскольку мир быстро переключается на низкоуглеродные источники энергии для обеспечения энергоэффективного транспорта, необходимость минимизации углеродного следа на энергоэффективных транспортных средствах в застройке. Даже если массовое производство началось всего около десяти лет назад, рынок электромобилей уже опережает рынок обычных автомобилей, работающих на ДВС (двигателе внутреннего сгорания). Скорость расширения бывшего, как сообщается, почти в 10 раз, что в позднее и к концу 2040 года, более 1/3 е от общих объем продаж новых транспортных средств будут учитываться по электромобилям.
По последним данным Китайской ассоциации автопроизводителей, в одном только Китае в 2016 году было продано более полумиллиона электромобилей, в основном это коммерческие автомобили и автобусы. В то время как Китай будет оставаться крупнейшим рынком для электромобилей в долгосрочной перспективе, темпы производства электромобилей постоянно остаются высокими во всем Азиатско-Тихоокеанском регионе.
Помимо значительно процветающей индустрии бытовой электроники, в последнее время в регионе наблюдается значительный рост рынка электромобилей, что создает большие возможности для проникновения высокочастотных силовых полупроводников, предпочтительно на основе GaN.
Мировая оценка рынка силовых ВЧ полупроводников составляет примерно 12 миллиардов долларов США (на конец 2018 года). Благодаря прорывным возможностям, возникающим в связи с появлением технологии 5G, широким внедрением инфраструктуры беспроводной сети и технологии IIoT (Промышленный Интернет вещей), благоприятным прогнозом в области потребительской электроники и растущими продажами электромобилей, доходы на рынке высокочастотных полупроводников вероятно, будут расширяться с впечатляющими 12% среднегодовыми темпами роста до 2027 года.
Адити Ядвадкар - опытный писатель, занимающийся маркетинговыми исследованиями, и много писала об электронной и полупроводниковой промышленности. В Future Market Insights (FMI) она тесно сотрудничает с исследовательской группой по электронике и полупроводникам, чтобы удовлетворить потребности клиентов со всего мира. Эти идеи основаны на недавнем исследовании рынка высокочастотных полупроводниковых приборов, проведенном FMI.