Hovedrolle rolle RF-halvleder i EV-revolutionen

Selvom det stadigt stigende antal 5G-udrulninger og stigende salg af forbrugerelektroniske enheder overvejende vil skabe et gunstigt miljø for vækst i efterspørgslen efter RF-halvlederefterspørgsel, forbliver bilindustrien også blandt de vigtigste forbrugsområder i RF-strømmoduler.

I øjeblikket gennemgår bilindustrien en dynamisk elektrisk og digital revolution. Et stigende antal køretøjer er genstand for elektrificering, autonomi og klar til tilslutning. Det hele koger ned til den stigende betydning af energieffektivitet og vil fremskynde bilindustriens transformation med manifold. Imidlertid er et vigtigt aspekt, der forbliver afgørende for at skabe denne transformation, RF-effekt halvlederen, da den har spillet en afgørende rolle i at muliggøre EV'er og hybrid EV'er (HEV'er).

Deltager i branchens "zero emission" skift, verdens førende bilproducenter har gjort bemærkelsesværdige bestræbelser på at styrke deres køretøjs-elektrificeringsprojekter. Forskningsdrevne fremskrivninger indikerer, at et flertal af OEM'erne har en fremtrædende opmærksomhed på målene for EV'er og HEV'er, der skal nås i 2025. Dette scenario beder klart om de betydelige muligheder for højeffektive RF-effekt halvledere, der effektivt ville fungere ved forhøjede temperaturer. Producenter af RF-strømmoduler fokuserer således konstant deres strategier på udvikling af produkter baseret på SiC (siliciumcarbid), GaN (galliumnitrid) og WBG (wide band-gap) teknologier.

GaN Emerging som et valg af materiale til RF Power Semiconductors

På trods af en række F & U-bestræbelser inden for WBG-halvlederområdet er SiC-varianten forblevet det traditionelle valg for EV'er og HEV'er i den seneste tid. På den anden side er SiC imidlertid allerede ankommet på markedet for modenhed og bliver udfordret af andre konkurrerende teknologier, der vinder terræn over det - især i tilfælde af kraftelektronik og andre krævende anvendelser i elektriske og hybridbiler.

Mens EV'er og HEV'er typisk bruger SiC-baserede RF-effekthalvledere til regulering af DC / DC-omformere i drivlinjen, har overgangstiden tendens til at begrænse deres skiftefrekvenser mellem 10 kHz og 100 kHz. I øjeblikket lægger næsten alle bilproducenter rundt om i verden en indsats inden for innovative omkring GaN-design af RF-effekt halvledere.

Introduktion af GaN-halvleder holdt løftet om potentielt at overvinde denne langvarige udfordring ved at muliggøre skiftetid inden for nanosekundområdet og drift ved temperaturer så høje som 200 ° C. Den hurtigere funktionalitet af GaN-halvleder resulterer i høj koblingsfrekvens og derved lavt koblingstab. Desuden oversættes det elektroniske volumen med lavere effekt til reduceret samlet vægt, hvilket efterfølgende understøtter letvægts- og mere effektivitetsøkonomi.

Flere studier fortaler de facto potentiale for GaN-baseret halvleder til høj effektkonvertering ved høj hastighed. Flytning til en ny æra med kraftelektronik, der bedst supplerer målet for EV'er og HEV'er, nøgleegenskaber for GaN-halvledermaterialer, såsom overlegen skiftehastighed, høje driftstemperaturer, mindre skift- og ledningsevnedab, kompakt emballage og potentielle omkostninger konkurrenceevne, vil fortsætte med at placere GaN-baserede RF-halvledere over alle andre kolleger.

Potentielle udfordringer, der begrænser udstrækningen af ​​RF Power Semiconductor i EV'er og HEV'er

På trods af alle de innovationer og positive resultater, der kommer ind på markederne, er der stadig nogle få udfordringer som barrierer for RF-kraft halvlederfunktionalitet i elektriske køretøjer. Når alt kommer til alt er det en kompleks opgave at køre en højeffektkomponent inden for nanosekunder og kommer med flere vanskeligheder, der endnu ikke er løst. En af de mest fremtrædende udfordringer er forbedringen af ​​spændingsvurderinger. Forbedring af effektiv betjening ved højere temperaturer uden at ændre konventionelle designs er en anden vigtig udfordring, der fortsat fanger F & U-interesser i RF-halvlederrummet.

Faktum fremhæver gentagne gange, at anvendelser af strømelektroniske moduler i EV'er og HEV'er er meget krævende, og deres ydeevne er ikke kun afhængig af spændings- og ydelsesbaserede innovationer. Et konstant skub med hensyn til strukturelle og designteknologiske forbedringer sikrer udholdenhed, pålidelighed og termisk modstand hos RF-enheder inden for hybrid- og rene / batteri elektriske køretøjer.

Emballageudfordringer fanger opmærksomhed

Mens forvrængning af omgivende elektroniske dele har været en anden faktor, der udfordrer egnetheden af ​​RF-halvlederindretninger inden for EV-design, er EMC (epoxy molding compound) halvlederemballage opstået som et meget lukrativt forskningsområde, da det muliggør drift uden at forstyrre de tilstødende elektroniske komponenter.

Selvom overformede RF-effektmoduler allerede opfattes som mainstream i den nærmeste fremtid, har designene stadig mulighed for forbedring med hensyn til termisk styring. Ledende virksomheder i RF-halvlederlandskabet lægger således vægt på at udvide deres bestræbelser på emballage for at opnå forbedret pålidelighed til brug i elektriske køretøjer.

Bedre fremtid for WBG - Er der nogen?

På baggrund af SiC's modenhed og GaNs dokumenterede overlegenhed er markedet imidlertid ikke i stand til at løse de pålidelighedsproblemer, der er forbundet med WBG, hvilket i sidste ende begrænser markedsindtrængningen af ​​WBG-type FR-halvledere i det lange løb. Den eneste måde at opnå konstruktion af mere robuste halvledere af WBG-typen ligger i en dybere forståelse af deres fiaskomekanismer under barske driftsforhold. Eksperter mener også, at WBG muligvis opnår modenhed på markedet uden nogen konkret strategisk støtte, der vil genskabe deres pålidelighed til yderligere anvendelse.

Hvad industriens Behemoths er op til

Wolfspeed, det USA-baserede Cree Inc.-firma, der er specialiseret i førsteklasses SiC- og GaN RF-kraftprodukter, lancerede for nylig et nyt produkt, der medfører en reduktion på mere end 75% i invertertabet for EV-drivlinje. Med en sådan forbedret effektivitet vil ingeniører sandsynligvis opdage nye parametre til innovation med hensyn til batteriforbrug, rækkevidde, design, termisk styring og emballage.

Højspændingskredsløbet til invertere i elektriske og hybrid-elektriske køretøjer genererer meget varme, og dette problem skal løses med effektiv køle-mekanisme. Forskning har gang på gang anbefalet, at reduktion af størrelse og vægt på invertere er nøglen til at opnå forbedret afkøling af bilkomponenterne i el- og el-køretøjer.

På en lignende linje forbliver et flertal af ledere i branchen (Hitachi, Ltd., for eksempel) fokuseret på invertermasse og størrelse ved hjælp af en dobbelt køleteknologi, der bruger enten væske eller luft til direkte afkøling af den ønskede høj- RF-spændingsmodul. En sådan mekanisme gør det også muligt at tilføje kompaktheden og fleksibiliteten af ​​det overordnede design og dermed til bestræbelserne på at reducere kraftproduktionstabene.

Ser frem til vigtigheden af ​​et kompakt design for at øge RF-effekt halvlederens anvendelighed i elektriske køretøjer, som Mitsubishis ultra-kompakte SiC-inverter fremstår som en banebrydende. Mitsubishi Electric Corporation har især udviklet dette ultrakompakte RF-strømprodukt til hybrid EV'er og hævder, at det er verdens mindste SiC-enhed nogensinde af sin art. Den reducerede emballagevolumen på denne enhed bruger betydeligt mindre plads i køretøjets indre og understøtter dermed højere brændstof og energieffektivitet. Enhedens kommercialisering forventes i de næste par år. Delvist støttet af New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japan), vil virksomheden også snart begynde med masseproduktion af den ultrakompakte SiC-inverter.

Sidste år blev branchens første revolutionerende feltprogrammerbare kontrolenhed (FPCU) lanceret som en ny halvlederarkitektur, der potentielt kan være ansvarlig for at øge rækkevidden og ydeevnen for elektriske og hybride elbiler. Denne RF-halvlederindretning er konstrueret af Silicon Mobility, der er baseret i Frankrig, med det formål at gøre det muligt for de eksisterende EV- og HEV-teknologier at nå deres maksimale potentiale. Silicon Mobility's produktionspartner i udviklingen af ​​FPCU er den amerikanske baserede halvlederproducent - GlobalFoundries.

RF Power Semiconductor-krav om stigning i Asien og Stillehavsområdet

Da verden hurtigt skifter til kulstoffattige energikilder for at opnå energieffektiv transport, er trykket for at minimere kulstofaftryk på energieffektive køretøjer i en bygning. Selvom masseproduktionen er påbegyndt for omkring et årti siden, overgår markedet for elbiler allerede markedet for konventionelle køretøjer, der kører på ICE (forbrændingsmotor). Udvidelseshastigheden for den førstnævnte er angiveligt næsten 10X i forhold til det senere og mod slutningen af ​​2040, vil mere end 1/3 ^rd af det samlede salg af nye køretøjer blive afregnet af elbiler.

De seneste data fra China Association of Automobile Manufacturers antyder, at der blev solgt over en halv million elbiler i Kina alene i år 2016, som hovedsageligt omfattede erhvervskøretøjer og busser. Mens Kina fortsat vil være det største marked for elbiler på lang sigt, har hastigheden for elproduktion været på et konstant højt niveau i hele Asien og Stillehavsområdet.

Ud over den markant blomstrende forbrugerelektronikindustri har regionen været vidne til en betydelig vækst på markedet for elbiler, for nylig og derved skabt en stærk mulighed for penetration af RF-effekt halvledere, helst baseret på GaN.

Den globale værdiansættelse af RF-kraftledningsmarkedet er ca. 12 mia. USD (ultimo 2018). Med banebrydende muligheder som følge af indtræden af ​​5G-teknologi, omfattende anvendelse af trådløs netværksinfrastruktur og IIoT (Industrial Internet of Things) -teknologi, velstående udsigter for forbrugerelektroniklandskabet og voksende salg af elbiler (EV), indtægterne fra RF-halvledermarkedet sandsynligvis ekspandere med en imponerende 12% sammensat årlig vækstrate gennem 2027.

Aditi Yadwadkar er en erfaren forfatter af markedsundersøgelser og har skrevet udførligt om elektronik- og halvlederindustrien. Hos Future Market Insights (FMI) arbejder hun tæt sammen med forskningsholdet Electronics and Semiconductor for at imødekomme kundernes behov fra hele verden. Disse indsigter er baseret på en nylig undersøgelse af RF Power Semiconductor Market fra FMI.