El paper bàsic del semiconductor de potència rf en la revolució ev

Tot i que el nombre cada vegada més gran de llançaments de 5G i la pujada de vendes de dispositius electrònics de consum crearan predominantment un entorn favorable per al creixement de la demanda de semiconductors de potència de RF, la indústria de l’automòbil també es manté entre les àrees principals de consum dels mòduls de potència de RF.

Actualment, la indústria de l’automòbil experimenta una revolució elèctrica i digital dinàmica. Un nombre creixent de vehicles està sotmès a electrificació, autonomia i connectivitat. Tot es redueix a la creixent importància de l'eficiència energètica i accelerarà la transformació de la indústria de l'automòbil per múltiples. No obstant això, un aspecte important que seguirà sent crucial per provocar aquesta transformació és el semiconductor de potència de RF, ja que ha jugat un paper fonamental en la possibilitat de vehicles elèctrics i vehicles elèctrics híbrids (HEV).

Participant en el canvi d’emissions zero de la indústria, els principals fabricants d’automòbils del món han estat fent esforços notables per augmentar els seus projectes d’electrificació de vehicles. Les projeccions impulsades per la investigació indiquen que la majoria dels fabricants d’ equips industrials estan observant de manera destacada els objectius dels vehicles elèctrics i els vehicles elèctrics elevats, que s’han de complir el 2025. Aquest escenari provoca clarament les oportunitats significatives per a semiconductors de potència de RF altament eficients que funcionarien eficaçment a temperatures elevades. Per tant, els fabricants de mòduls de potència RF centren constantment les seves estratègies en el desenvolupament de productes basats en tecnologies SiC (carbur de silici), GaN (nitrur de gal) i WBG (ampla diferència de banda).

GaN sorgeix com a opció de material per a semiconductors de potència de RF

Malgrat una sèrie d’esforços en R + D que prevalen en l’àmbit dels semiconductors WBG, la variant SiC s’ha mantingut com l’elecció tradicional per als vehicles elèctrics i els vehicles elèctrics, durant el passat recent. Tanmateix, per altra banda, SiC ja ha arribat a la fase de maduresa del mercat i està sent desafiat per altres tecnologies de la competència que guanyen terreny, sobretot en cas d’electrònica de potència i altres aplicacions exigents en vehicles elèctrics i híbrids.

Tot i que els EV i HEV solen utilitzar semiconductors de potència RF basats en SiC per a la regulació dels convertidors CC / CC al grup motriu, el temps de transició tendeix a restringir les seves freqüències de commutació entre 10 kHz i 100 kHz. Actualment, gairebé tots els fabricants d’automòbils de tot el món es dediquen a innovar en els dissenys de semiconductors de potència de RF de GaN.

La introducció del semiconductor GaN va tenir la promesa de superar potencialment aquest desafiament de llarga data, permetent el temps de commutació dins del rang de nanosegons i el funcionament a temperatures de fins a 200 ° C. La funcionalitat més ràpida dels semiconductors GaN provoca una freqüència de commutació elevada i, per tant, una pèrdua de commutació baixa. A més, el volum electrònic de menor potència es tradueix en un pes global reduït, que posteriorment admet una economia lleugera i amb més eficiència.

Diversos estudis defensen el potencial de facto del semiconductor basat en GaN per a una conversió d'alta potència a gran velocitat. Passar a una nova era de l’electrònica de potència que millor complementaria l’objectiu dels EVs i HEV, atributs clau dels materials semiconductors GaN, com ara velocitat de commutació superior, altes temperatures de funcionament, pèrdues de conductivitat i commutació menors, envasos de mida compacta i cost potencial competitivitat, continuarà situant els semiconductors de RF basats en GaN per sobre de la resta d’homòlegs.

Possibles reptes que limiten l’extensió del semiconductor de potència de RF en vehicles elèctrics i vehicles elèctrics

Malgrat totes les innovacions i els resultats positius que entren als mercats, encara queden alguns reptes com a barreres a la funcionalitat dels semiconductors de potència de RF en vehicles elèctrics. Al cap i a la fi, conduir un component d’alta potència en nanosegons és una tasca complexa i presenta múltiples dificultats que encara no s’han de resoldre. Un dels reptes més destacats és la millora de les tensions. Millorar l’operabilitat eficient a temperatures més altes sense alterar els dissenys convencionals és un altre repte important que continua captant interessos d’R + D a l’espai de semiconductors de RF.

El fet posa de manifest reiteradament que les aplicacions dels mòduls electrònics de potència en vehicles elèctrics i vehicles elèctrics són molt exigents i el seu rendiment no només depèn de les innovacions basades en el voltatge i el rendiment. Un impuls constant en termes de millores estructurals i tecnològiques de disseny garanteixen la resistència, la fiabilitat i la resistència tèrmica dels dispositius de radiofreqüència dins dels vehicles elèctrics híbrids i purs / amb bateria.

Els reptes dels envasos criden l'atenció

Tot i que la distorsió de les parts electròniques circumdants ha estat un altre factor que suposa un desafiament de la idoneïtat dels dispositius semiconductors de RF dins dels dissenys de vehicles elèctrics, l’empaquetatge de semiconductors EMC (compost d’emmotllament epoxi) ha sorgit com una àrea de recerca altament lucrativa, ja que permet el funcionament sense molestar els components electrònics veïns.

A més, tot i que els mòduls de potència de RF sobremotllats ja es perceben com el corrent principal del futur proper, els dissenys encara tenen un marge de millora en termes de gestió tèrmica. Per tant, les empreses líders en el camp dels semiconductors de radiofreqüència emfatitzen ampliar els seus esforços relacionats amb l’envasament per aconseguir una millor fiabilitat per a l’ús en vehicles elèctrics.

Millor futur per a WBG: n’hi ha cap?

Tanmateix, en el context de la maduresa de SiC i la provada superioritat de GaN, el mercat no aconsegueix resoldre els problemes de fiabilitat associats amb WBG, que finalment limita la penetració al mercat dels semiconductors FR de tipus WBG a la llarga. L'única manera d'aconseguir l'enginyeria de semiconductors de tipus WBG més robusts rau en una comprensió més profunda dels seus mecanismes de fallada en condicions operatives dures. Els experts també opinen que WBG podria assolir la maduresa del mercat sense cap suport estratègic concret que restabliria la seva fiabilitat per a una posterior utilització.

Què estan fent els Behemoths de la indústria

Wolfspeed, la companyia nord-americana Cree Inc., especialitzada en productes d’alimentació premium SiC i GaN RF, ha llançat recentment un nou producte que comporta una reducció del 75% en les pèrdues d’inversors de la transmissió EV. Amb aquesta eficiència millorada, és probable que els enginyers descobreixin nous paràmetres per innovar en termes d’ús, autonomia, disseny, gestió tèrmica i embalatge de la bateria.

Els circuits d'alta tensió dels inversors en vehicles elèctrics i híbrids generen molta calor i cal solucionar aquest problema amb un mecanisme de refrigeració eficient. La investigació ha recomanat una i altra vegada que la reducció de la mida i el pes dels inversors és la clau per aconseguir un refredament millorat dels components de l'automòbil en vehicles elèctrics i vehicles elèctrics.

En una línia similar, la majoria dels líders de la indústria (Hitachi, Ltd., per exemple) segueixen centrats en la massa i la mida dels inversors amb l’ajut d’una tecnologia de doble refrigeració que utilitza líquid o aire per refredar directament l’alt desitjat. mòdul de potència RF de tensió. Aquest mecanisme també permet afegir a la compacitat i flexibilitat del disseny general i, per tant, als esforços per reduir les pèrdues de generació d'energia.

Mirant cap endavant a la importància d’un disseny compacte per augmentar l’aplicabilitat del semiconductor de potència de radiofreqüència en vehicles elèctrics, els inversors SiC ultracompacts de Mitsubishi apareixen com a pioners. Mitsubishi Electric Corporation ha desenvolupat especialment aquest producte d’alimentació RF ultra-compacte per a vehicles elèctrics híbrids i afirma que és el dispositiu SiC més petit del món d’aquest tipus. El volum d’embalatge reduït d’aquest dispositiu consumeix un espai significativament menor a l’interior del vehicle i, per tant, sustenta una major eficiència energètica i de combustible. Es preveu la comercialització del dispositiu en els propers dos anys. En part, amb el suport de la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japó), la companyia començarà aviat amb la producció en massa de l’inversor SiC ultracompacte.

L’any passat es va llançar la primera unitat de control programable de camp (FPCU) de la indústria com una nova arquitectura de semiconductors que pot ser responsable de potenciar la gamma i el rendiment dels vehicles elèctrics i híbrids. Aquest dispositiu semiconductor de RF està dissenyat per Silicon Mobility, amb seu a França, amb l’objectiu de permetre a les tecnologies EV i HEV existents assolir el seu màxim potencial. El soci fabricant de Silicon Mobility en el desenvolupament de FPCU és el fabricant de semiconductors amb seu als Estats Units: GlobalFoundries.

La demanda de semiconductors de potència RF creix a la regió Àsia-Pacífic

A mesura que el món canvia ràpidament a fonts d’energia baixes en carboni per aconseguir un transport eficient energèticament, la pressió de minimitzar la petjada de carboni en els vehicles energèticament eficients en un edifici. Fins i tot si la producció en massa s’ha iniciat fa aproximadament una dècada, el mercat dels vehicles elèctrics ja supera el mercat dels vehicles convencionals que funcionen amb ICE (motor de combustió interna). La taxa d'expansió de la primera és gairebé 10 vegades més que segons els informes de la tarda i cap al final de 2040, més de 1/3 ^rd de el total de vendes de vehicles nous es va representar pels vehicles elèctrics.

Les últimes dades de l'Associació Xinesa de Fabricants d'Automòbils impliquen que més de mig milió de vehicles elèctrics es van vendre només a la Xina, l'any 2016, que incloïa principalment vehicles comercials i autobusos. Tot i que a la llarga, la Xina seguirà sent el mercat més gran de vehicles elèctrics, la producció de vehicles elèctrics ha estat constantment alta a tota la regió d’Àsia Pacífic.

A més de la significativa florida indústria de l’electrònica de consum, la regió ha estat testimoni d’un creixement considerable del mercat dels vehicles elèctrics, creant així una forta oportunitat per a la penetració de semiconductors de potència de RF, preferiblement basats en GaN.

La valoració mundial del mercat de semiconductors de potència RF és aproximadament de 12.000 milions de dòlars EUA (a finals del 2018). Amb oportunitats avançades derivades de l’aparició de la tecnologia 5G, una àmplia adopció de la infraestructura de xarxa sense fils i la tecnologia IIoT (Internet industrial de les coses), una perspectiva pròspera del panorama de l’electrònica de consum i una creixent venda de vehicles elèctrics (EV), els ingressos del mercat dels semiconductors de potència RF és probable que s’expandeixin a una impressionant taxa de creixement anual del 12% fins al 2027.

Aditi Yadwadkar és un experimentat escriptor d’investigacions de mercat i ha escrit àmpliament sobre la indústria de l’electrònica i els semiconductors. A Future Market Insights (FMI), treballa estretament amb l’equip de recerca en electrònica i semiconductors per atendre les necessitats de clients de tot el món. Aquests coneixements es basen en un estudi recent sobre el mercat de semiconductors de potència de RF per FMI.