- GaN възниква като избор на материал за радиочестотни полупроводници
- Потенциални предизвикателства, ограничаващи разширяването на радиочестотните полупроводници в EV и HEV
- Опаковъчните предизвикателства привличат вниманието
- По-добро бъдеще за WBG - има ли такива?
- Какво правят Behemoths в индустрията
- Търсенето на радиочестотни полупроводници в азиатско-тихоокеанския регион
Въпреки че непрекъснато нарастващият брой на 5G внедряването и изкачващите се продажби на потребителски електронни устройства ще създадат предимно благоприятна среда за растежа на търсенето на RF мощностни полупроводници, автомобилната индустрия също остава сред ключовите потребителски области на RF силовите модули.
В момента автомобилната индустрия преживява динамична електрическа и цифрова революция. Нарастващият брой превозни средства подлежи на електрификация, автономност и готовност за свързване. Всичко се свежда до нарастващото значение на енергийната ефективност и ще ускори многократно трансформацията на автомобилната индустрия. Въпреки това, важен аспект, който ще остане решаващ за осъществяването на тази трансформация, е радиочестотният полупроводник, тъй като той е изиграл ключова роля за активиране на EV и хибридни EV (HEV).
Участвайки в промяната в индустрията с „нулеви емисии“, водещите световни производители на автомобили полагат забележителни усилия в усилването на своите проекти за електрификация на превозни средства. Прогнозите, основани на изследвания, показват, че по-голямата част от производителите на оригинални продукти на видно място наблюдават целите за EV и HEVs, които трябва да бъдат постигнати през 2025 г. Този сценарий ясно подсказва значителните възможности за високоефективни RF полупроводници, които биха могли ефективно да работят при повишени температури. По този начин производителите на RF силови модули непрекъснато фокусират своите стратегии върху разработването на продукти, базирани на SiC (силициев карбид), GaN (галиев нитрид) и WBG (широка лента).
GaN възниква като избор на материал за радиочестотни полупроводници
Въпреки редица усилия за научноизследователска и развойна дейност, преобладаващи в областта на полупроводниците на WBG, вариантът SiC остава традиционен избор за електромобили и HEV през близкото минало. От друга страна обаче, SiC вече е достигнал етапа на зрялост на пазара и е предизвикан от други конкурентни технологии, които се налагат над него - особено в случай на силова електроника и други взискателни приложения в електрически и хибридни електрически превозни средства.
Докато EV и HEV обикновено използват базирани на SiC RF мощни полупроводници за регулиране на DC / DC преобразуватели в задвижването, времето на преход има тенденция да ограничава техните честоти на превключване между 10 kHz и 100 kHz. Понастоящем почти всеки производител на автомобили по света полага усилия в иновативни проекти около GaN на радиочестотни полупроводници.
Въвеждането на полупроводник GaN обеща да потенциално преодолее това дългогодишно предизвикателство, като позволи времето за превключване в наносекундния диапазон и работа при температури до 200 ° C. По-бързата функционалност на полупроводника GaN води до висока честота на превключване и по този начин ниска загуба на превключване. Освен това електронният обем с по-ниска мощност се превръща в намалено общо тегло, което впоследствие поддържа лека и по-ефективна икономия.
Няколко проучвания застъпват де факто потенциала на полупроводника, базиран на GaN, за преобразуване с висока мощност при висока скорост. Преминаване към нова ера на силовата електроника, която най-добре би допълнила целта на EV и HEVs, ключови атрибути на полупроводникови материали GaN, като превъзходна скорост на превключване, високи работни температури, по-малки загуби на превключване и проводимост, компактни опаковки и потенциални разходи конкурентоспособност, ще продължи да поставя базирани на GaN RF полупроводници над всички останали аналози.
Потенциални предизвикателства, ограничаващи разширяването на радиочестотните полупроводници в EV и HEV
Въпреки всички нововъведения и положителни резултати, навлизащи на пазарите, все още остават няколко предизвикателства като бариери пред функционалността на радиочестотния полупроводник в електрическите превозни средства. В крайна сметка шофирането на компонент с висока мощност в рамките на наносекунди е сложна работа и идва с множество трудности, които тепърва ще бъдат разрешени. Едно от най-известните предизвикателства е подобряването на номиналните напрежения. Подобряването на ефективната работоспособност при по-високи температури, без да се променят конвенционалните конструкции, е друго важно предизвикателство, което продължава да улавя научноизследователските и развойни интереси в RF полупроводниковото пространство.
Фактът многократно подчертава, че приложенията на силовите електронни модули в EV и HEV са изключително взискателни и тяхната производителност разчита не само на иновации, базирани на напрежение и производителност. Постоянният тласък по отношение на подобренията на структурата и дизайна гарантира издръжливост, надеждност и термична устойчивост на RF устройства в хибридни и чисто / акумулаторни електрически превозни средства.
Опаковъчните предизвикателства привличат вниманието
Докато изкривяването на околните електронни части е друг фактор, предизвикващ пригодността на RF полупроводникови устройства в рамките на EV конструкции, EMC (епоксидно формовъчно съединение) полупроводникови опаковки се очертава като изключително доходоносна област на изследване, тъй като позволява работа, без да нарушава съседните електронни компоненти.
Нещо повече, въпреки че свръхмодулираните RF модули вече се възприемат като основен поток в близко бъдеще, проектите все още имат възможност за подобрение по отношение на управлението на топлината. По този начин водещите компании в областта на полупроводниковите RF наблягат на разширяването на усилията си, свързани с опаковките, за да се постигне подобрена надеждност за използване в електрически превозни средства.
По-добро бъдеще за WBG - има ли такива?
На фона на зрелостта на SiC и доказаното превъзходство на GaN, пазарът обаче не успява да разреши опасенията за надеждността, свързани с WBG, което в крайна сметка ограничава навлизането на пазара на FR полупроводници от тип WBG в дългосрочен план. Единственият начин да се постигне инженеринг на по-здрави полупроводници тип WBG се крие в по-задълбоченото разбиране на техните механизми на повреда в тежки експлоатационни условия. Експертите също така смятат, че WBG може да постигне зрялост на пазара без конкретна стратегическа подкрепа, която да възстанови тяхната надеждност за по-нататъшно използване.
Какво правят Behemoths в индустрията
Wolfspeed, базираната в САЩ компания Cree Inc., специализирана в първокласни SiC и GaN RF продукти, наскоро пусна нов продукт, който води до повече от 75% намаляване на инверторните загуби на EV задвижване. С подобрена ефективност инженерите вероятно ще открият нови параметри за иновации по отношение на използването на батерията, обхвата, дизайна, управлението на топлината и опаковката.
Високоволтовите схеми на инверторите в електрически и хибридни електрически превозни средства генерират много топлина и този проблем трябва да бъде решен с ефективен механизъм за охлаждане. Изследванията препоръчват отново и отново, че намаляването на размера и теглото на инверторите е ключът към постигането на подобрено охлаждане на автомобилните компоненти в EV и HEV.
По подобен начин, мнозинството от лидерите в индустрията (например Hitachi, Ltd.) остават фокусирани върху инверторната маса и размер с помощта на технология за двойно охлаждане, която използва или течност, или въздух, за да охлажда директно желаното високо- напрежение RF захранващ модул. Подобен механизъм позволява също така да добави към компактността и гъвкавостта на цялостния дизайн и по този начин, към усилията за намаляване на загубите на електроенергия.
Очаквайки важността на компактния дизайн, за да се повиши приложимостта на RF силовия полупроводник в електрическите превозни средства, подобен на ултракомпактния SiC инвертор на Mitsubishi се очертава като пътеводител. Mitsubishi Electric Corporation специално разработи този ултра-компактен RF захранващ продукт за хибридни електромобили и твърди, че е най-малкото досега SiC устройство от този тип. Намаленият обем на опаковката на това устройство изразходва значително по-малко пространство във вътрешността на автомобила и по този начин подкрепя по-високата горивна и енергийна ефективност. Комерсиализацията на устройството се очаква през следващите няколко години. Частично подкрепена от Новата организация за развитие на енергетиката и индустриалните технологии (NEDO, Япония), компанията ще започне скоро и масово производство на ултракомпактния SiC инвертор.
Миналата година първият революционен програмируем блок за управление в индустрията (FPCU) беше пуснат като нова полупроводникова архитектура, която може да бъде потенциално отговорна за увеличаване на обхвата и производителността на електрическите и хибридните електрически превозни средства. Това полупроводниково RF устройство е проектирано от Silicon Mobility, базирана във Франция, с цел да позволи на съществуващите EV и HEV технологии да постигнат своя максимален потенциал. Производителният партньор на Silicon Mobility при разработването на FPCU е американският производител на полупроводници - GlobalFoundries.
Търсенето на радиочестотни полупроводници в азиатско-тихоокеанския регион
Тъй като светът бързо преминава към нисковъглеродни източници на енергия, за да постигне енергийно ефективен транспорт, натискът за минимизиране на въглеродния отпечатък върху енергийно ефективни превозни средства в сграда. Дори масовото производство да е започнало преди около десетилетие, пазарът на електромобили вече изпреварва пазара на конвенционални превозни средства, работещи с ICE (двигател с вътрешно горене). Скоростта на разширяване на първото е Съобщава почти 10 пъти тази на по-късно и към края на 2040 г., повече от 1/3 ти от общо нови продажби на превозни средства, които ще се отчитат от електромобилите.
Последните данни на Китайската асоциация на автомобилните производители предполагат, че само в Китай през 2016 г. са били продадени над половин милион електромобили, които включват предимно търговски превозни средства и автобуси. Докато Китай ще остане най-големият пазар за електромобили в дългосрочен план, темпът на производство на електромобили е бил постоянно висок в целия Азиатско-Тихоокеански регион.
В допълнение към значително процъфтяващата индустрия за потребителска електроника, регионът е свидетел на значителен растеж на пазара на електромобили напоследък, като по този начин създава силна възможност за проникване на радиочестотни полупроводници, за предпочитане на базата на GaN.
Глобалната оценка на пазара на полупроводници за мощност от RF е приблизително 12 милиарда щатски долара (към края на 2018 г.). С пробивните възможности, произтичащи от появата на 5G технологията, широкото възприемане на безжична мрежова инфраструктура и технологията IIoT (Industrial Internet of Things), просперитетната перспектива на потребителската електроника и нарастващите продажби на електрически превозни средства (EV), приходите от пазара на полупроводници от мощността на RF вероятно ще се разшири с впечатляващите 12% сложен годишен темп на растеж до 2027 г.
Aditi Yadwadkar е опитен писател на пазарни проучвания и е писал много за индустрията на електрониката и полупроводниците. В Future Market Insights (FMI) тя работи в тясно сътрудничество с изследователския екип по електроника и полупроводници, за да обслужва нуждите на клиенти от цял свят. Тези прозрения се основават на скорошно проучване на RF Power Semiconductor Market от FMI.