Hovedrollen til RF Power Semiconductor i EV-revolusjonen

Selv om det stadig økende antallet 5G-utbygginger og stigende salg av forbrukerelektroniske enheter overveiende vil skape et gunstig miljø for veksten av RF-halvlederbehovet, forblir også bilindustrien blant de viktigste forbrukerområdene i RF-kraftmoduler.

For tiden gjennomgår bilindustrien en dynamisk elektrisk og digital revolusjon. Et økende antall kjøretøy er underlagt elektrifisering, autonomi og klar til tilkobling. Det hele koker ned til den økende betydningen av energieffektivitet og vil akselerere bilindustriens transformasjon med mangfold. Imidlertid er et viktig aspekt som vil forbli avgjørende for å få til denne transformasjonen, RF-kraft halvleder, siden den har spilt en sentral rolle i å muliggjøre EV og hybrid EV (HEV).

Verdens ledende bilprodusenter har deltatt i bransjens "nullutslipp" -skift og har gjort bemerkelsesverdige anstrengelser for å øke deres elektrifiseringsprosjekter. Forskningsdrevne anslag viser at et flertall av OEM-ene fremtredende følger målene for elbiler og HEVer som skal oppfylles i 2025. Dette scenariet ber tydelig om de betydelige mulighetene for høyeffektive RF-kraft halvledere som effektivt vil fungere ved forhøyede temperaturer. Produsenter av RF-kraftmoduler fokuserer dermed kontinuerlig strategiene sine på utvikling av produkter basert på SiC (silisiumkarbid), GaN (galliumnitrid) og WBG (wide band-gap) teknologier.

GaN Emerging som et valg av materiale for RF Power Semiconductors

Til tross for en rekke FoU-anstrengelser i WBG-halvlederområdet, har SiC-varianten fortsatt vært det tradisjonelle valget for elbiler og elektriske motorer i den siste tiden. På den andre siden har SiC imidlertid allerede kommet til modenhetsfasen i markedet og blir utfordret av andre konkurrerende teknologier som vinner terreng over det - spesielt i tilfelle kraftelektronikk og andre krevende bruksområder i elektriske og hybridbiler.

Mens EV og HEV vanligvis bruker SiC-baserte RF-effekt halvledere for regulering av DC / DC-omformere i drivlinjen, har overgangstiden en tendens til å begrense byttefrekvensen mellom 10 kHz og 100 kHz. Foreløpig satser nesten alle bilprodusenter rundt om i verden på innovasjon rundt GaN-design av RF-kraft halvledere.

Introduksjon av GaN-halvleder holdt løftet om å potensielt overvinne denne langvarige utfordringen ved å muliggjøre byttetid innen nanosekundområdet og drift ved temperaturer så høyt som 200 ° C. Den raskere funksjonaliteten til GaN halvleder resulterer i høy koblingsfrekvens og derved, lav koblingstap. Videre oversettes det elektroniske volumet med lavere effekt til redusert totalvekt, som deretter støtter lett og mer effektivitetsøkonomi.

Flere studier tar til orde for de facto potensialet til GaN-basert halvleder for høy effektkonvertering ved høy hastighet. Å flytte til en ny æra med kraftelektronikk som best vil utfylle målet for EV og HEV, viktige attributter til GaN-halvledermaterialer, som overlegen byttehastighet, høye driftstemperaturer, mindre bytte- og konduktivitetstap, kompakt emballasje og potensielle kostnader konkurranseevne, vil fortsette å plassere GaN-baserte RF-halvledere over alle andre kolleger.

Potensielle utfordringer som begrenser utvidelsen av RF Power Semiconductor i EV og HEV

Til tross for alle innovasjonene og de positive resultatene som kommer inn på markedene, er det fortsatt noen få utfordringer som hindringene for RF-halvlederfunksjonalitet i elektriske biler. Å kjøre en kraftig komponent innen nanosekunder er tross alt en kompleks jobb og kommer med flere vanskeligheter som ennå ikke er løst. En av de mest fremtredende utfordringene er forbedring av spenningsgrader. Å forbedre effektiv brukbarhet ved høyere temperaturer uten å endre konvensjonelle design er en annen viktig utfordring som fortsetter å fange FoU-interesser i RF-halvlederrommet.

Faktum fremhever gjentatte ganger at applikasjoner av kraftelektroniske moduler i EV og HEV er svært krevende, og ytelsen deres er ikke bare avhengig av spennings- og ytelsesbaserte innovasjoner. Et konstant press når det gjelder strukturelle og designteknologiske forbedringer sikrer utholdenhet, pålitelighet og termisk motstand av RF-enheter i hybridbiler og elektriske biler.

Emballasjemessige utfordringer fanger oppmerksomhet

Mens forvrengning av omkringliggende elektroniske deler har vært en annen faktor som utfordrer egnetheten til RF-halvlederinnretninger innen EV-design, har EMC (epoxy molding compound) halvlederemballasje dukket opp som et svært lukrativt forskningsområde, da det tillater drift uten å forstyrre de nærliggende elektroniske komponentene.

Videre, selv om overmoldede RF-kraftmoduler allerede oppfattes som hovedstrømmen i nær fremtid, har designene fortsatt muligheter for forbedring når det gjelder termisk styring. Ledende selskaper i RF-halvlederlandskapet legger derfor vekt på å utvide innsatsen knyttet til emballasje for å oppnå bedre pålitelighet for bruk i elektriske biler.

Bedre fremtid for WBG - Er det noen?

På bakgrunn av SiCs modenhet og GaNs påviste overlegenhet, klarer markedet imidlertid ikke å løse pålitelighetsproblemene knyttet til WBG, noe som til slutt begrenser markedsgjennomtrengning av WBG-type FR-halvledere på sikt. Den eneste måten å oppnå konstruksjon av mer robuste halvledere av WBG-typen ligger i dypere forståelse av deres feilmekanismer under tøffe driftsforhold. Eksperter mener også at WBG kan oppnå modenhet i markedet uten noen konkret strategisk støtte som vil gjenopprette deres pålitelighet for videre bruk.

Hva bransjens Behemoths holder på med

Wolfspeed, det amerikanske baserte Cree Inc.-selskapet som spesialiserer seg på førsteklasses SiC- og GaN RF-kraftprodukter, lanserte nylig et nytt produkt som medfører mer enn 75% reduksjon i omformertapene i EV-drivverk. Med en slik forbedret effektivitet vil ingeniører sannsynligvis oppdage nye parametere for å innovere når det gjelder batteribruk, rekkevidde, design, termisk styring og emballasje.

Høyspenningskretsene til omformere i elektriske og hybridbiler genererer mye varme, og dette problemet må løses med en effektiv avkjølingsmekanisme. Forskning har gang på gang anbefalt at reduksjon av størrelse og vekt på omformere er nøkkelen til å oppnå bedre kjøling av bilkomponentene i elektriske motorer og elektriske motorer.

På en lignende linje forblir et flertall av lederne i bransjen (Hitachi, Ltd., for eksempel) fokusert på omformermasse og størrelse ved hjelp av en dobbel kjøleteknologi som bruker enten væske eller luft for direkte å avkjøle ønsket høy- RF-spenningsmodul. En slik mekanisme gjør det også mulig å øke kompaktiteten og fleksibiliteten til den generelle utformingen og dermed til arbeidet med å redusere tapene til kraftproduksjon.

Ser frem til viktigheten av en kompakt design for å øke RF-kraft halvlederens anvendelighet i elektriske kjøretøyer, som Mitsubishis ultrakompakte SiC-inverter fremstår som en banebryter. Mitsubishi Electric Corporation har spesielt utviklet dette ultrakompakte RF-kraftproduktet for hybridbiler og hevder at det er verdens minste SiC-enhet noensinne i sitt slag. Det reduserte emballasjevolumet til denne enheten bruker betydelig mindre plass i kjøretøyets interiør og understøtter dermed høyere drivstoff og energieffektivitet. Enhetens kommersialisering forventes de neste par årene. Delvis støttet av New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japan), vil selskapet også snart begynne med masseproduksjon av den ultrakompakte SiC-omformeren.

I fjor ble bransjens første revolusjonerende feltprogrammerbare kontrollenhet (FPCU) lansert som en ny halvlederarkitektur som kan være potensielt ansvarlig for å øke rekkevidden og ytelsen til elektriske og hybridbiler. Denne RF-halvlederenheten er konstruert av Silicon Mobility, basert i Frankrike, med et mål å gjøre det mulig for eksisterende EV- og HEV-teknologier å oppnå sitt maksimale potensiale. Silicon Mobilitys produksjonspartner i utviklingen av FPCU er den USA-baserte halvlederprodusenten - GlobalFoundries.

RF Power Semiconductor Demand to Surge i Asia Pacific Region

Ettersom verden raskt bytter til kullfattige energikilder for å oppnå energieffektiv transport, er trykket for å minimere karbonavtrykk på energieffektive kjøretøy i en bygning. Selv om masseproduksjonen er startet for bare et tiår siden, overgår markedet for elbiler allerede markedet for konvensjonelle biler som kjører på ICE (forbrenningsmotor). Ekspansjonshastigheten til førstnevnte er angivelig nesten 10X sammenlignet med den senere og mot slutten av 2040, vil mer enn 1/3 ^tredje av det totale salget av nye biler bli regnskapsført av EV.

De siste dataene fra China Association of Automobile Manufacturers antyder at over en halv million EVS ble solgt i Kina alene, i år 2016, som hovedsakelig inkluderte kommersielle kjøretøyer og busser. Mens Kina fortsatt vil være det største markedet for elbiler på lang sikt, har hastigheten på EV-produksjonen vært på en konstant høyde i hele Asia-Stillehavsregionen.

I tillegg til den betydelig blomstrende forbrukerelektronikkindustrien, har regionen vært vitne til betydelig vekst i EVs-markedet, nylig, og skaper dermed en sterk mulighet for penetrering av RF-kraft halvledere, fortrinnsvis basert på GaN.

Den globale verdsettelsen av RF-kraft halvledermarkedet er omtrent 12 milliarder dollar (ved utgangen av 2018). Med banebrytende muligheter som følge av begynnelsen av 5G-teknologi, omfattende bruk av trådløs nettverksinfrastruktur og IIoT (Industrial Internet of Things) -teknologi, velstående utsikter til forbrukerelektronikklandskapet og voksende salg av elektriske kjøretøyer (EV), inntektene fra RF-kraft halvledermarkedet vil sannsynligvis utvide seg med en imponerende årlig vekst på 12% gjennom 2027.

Aditi Yadwadkar er en erfaren forfatter av markedsundersøkelser og har skrevet mye om elektronikk- og halvlederindustrien. På Future Market Insights (FMI) jobber hun tett med forskningsteamet Electronics and Semiconductor for å betjene behovene til kunder fra hele verden. Disse innsiktene er basert på en nylig studie om RF Power Semiconductor Market av FMI.