EV īpašais ziņojums: automobiļu inovācijas veicina plaša mēroga pusvadītāju ieviešanu

Our Miss Brooks: Deacon Jones / Bye Bye / Planning a Trip to Europe / Non-Fraternization Policy (Jūnijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Pieaugoša platjoslas pārnesumkārba un attīstība piedziņas tehnoloģijās palielina piedziņas diapazonu - un uzlabo veiktspēju - samazinot enerģijas sistēmas izmēru un svaru

Maximilian Teodorescu, AspenCore satura pārvaldnieks
Patēriņa elektronikas integrācija ar automašīnām automašīnu pusvadītāju ražošanā bija viens no visstraujāk augošajiem mikroshēmām laikposmā no 2002. līdz 2012. gadam. Tirgus vidējais pieaugums bija 8 procenti gadā, sasniedzot 24 miljardus dolāru, pirms likme samazinājās, jo MCU skaits vienā automašīnā bija aptuveni par aptuveni 100, McKinsey & Co. ziņots. Tagad, reaģējot uz pieaugošajām vides problēmām, lielie automobiļi gatavojas pakāpeniski iznīcināt fosilā kurināmā modeļus un tuvākajās desmitgadēs pārveidot par elektromotoru līnijām - dažas no tām 2019. gadā . Automobiļu mikroshēmas ražo jauna izaugsmes vilnis, pateicoties piedziņas elektrifikācijai un papildu automašīnas izlūkošanai.

"Transmisija ir nākamā lielā iespēja" pusvadītājiem, kuru pamatā ir silīcija, kā arī platleņķa alternatīvas, piemēram, gallija nitrīds un silīcija karbīds, sacīja Jeff Casady, biznesa attīstības un programmu vadītājs Wolfspeed, kas sniedza GaN un SiC spēku un RF ierīces. "Elektriskie transportlīdzekļi vispār sāk parādīties tieši tagad, tāpēc viss ir silīcijs, bet viss ir mazs. Kad tilpums ir lielāks, tas ir diezgan liels tirgus.

"Eiropā jūs īpaši redzat, ka oriģinālās aparatūras ražotāji patiešām ir uzņēmušies saistības ar EV, kur pirms četriem līdz pieciem gadiem tas bija sava veida jaunums, " sacīja Kasadijs, atsaucoties uz saistībām, ko uzņēmušies tādas valstis kā Norvēģija un Nīderlande, lai pakāpeniski izbeigtu fosilā fīda l automašīnas ar pilnīgi līdz 2025. gadam.

Iespējas netradicionālām chipmakers
Saskaņā ar 2016. gada McKinsey ziņojumu pilnībā elektriskie transportlīdzekļi 2016. gadā veidoja mazāk nekā 1% pārdoto jauno automobiļu, taču šis skaitlis varētu pieaugt līdz pat 5% līdz 10% līdz 2020. gadam. EV izvēršanas pieaugums varētu veicināt lielāko izaugsmi nākamajos desmit gados automobiļu mikroshēmās radīt izaugsmes iespējas pusvadītāju kompānijām, kas tradicionāli nav automobiļu piegādātāji.

2013. gadā motoreļļas bija 30% no visa pusvadītāju satura automašīnā, un EV ir vairāk nekā 1000 riteņu pārnesumu elektronikas, salīdzinot ar 100 ASV dolāriem, ko aprēķina iekšējā sadedzināšanas motoreļļa. Tirgus novērotāji sagaida, ka drivetrain pusvadītāji turpinās pieaugt - un pieaugošais automobiļu mikroshēmas saturs kopumā - EV kļūst aizvien sarežģītāki, pieņemot mašīnu redzamību, GPU, DRAM un NAND zibspuldzi, gatavojoties pašizgāzējušā patērētāja transportlīdzekļa iebraukšanai.

Paplašinot hibrīdu un EV izmantošanu, tiek radīta iespēja netradicionālajiem pusvadītāju piegādātājiem iegūt tirgus daļu citādi konservatīvā segmentā. Automobiļi reti maina piegādātājus elektronikai, kas kontrolē to jaudu un piedziņu, taču elektroniskās piedziņas pamatdiste vēl aizvien attīstās ar katru paaudzi, jo automobiļu ražotāji meklē veidus, kā paaugstināt energoefektivitātes robežas nekā silīcija pusvadītāji.

"Apmēram pieciem gadiem daži chipmakers apgalvoja, ka tradicionālie silīcija bāzes jaudas MOSFETS bija nokļuvuši sienā, izraisot nepieciešamību pēc jaunas jaudas tranzistoru tehnoloģijas, " raksta izpilddirektors SemiconductorEngineering.com izpilddirektors Mark Lapedus . Tā kā Moore's Law mērogošana ir tuvu beigām, elektronisko komponentu ražotāji meklē silīcija MOSFET izejas vārtiem pret bipolāriem tranzistoriem (IGBT) un platjoslas zondes pusvadītājiem, piemēram, augstsprieguma gala nitrīda (GaN) un silīcija karbīda (SiC) MOSFET .

Kāpēc platjoslas zondes pusvadītāji?
Kombinētie pusvadītāji, piemēram, GaN un SiC, kļūst par praktiskiem risinājumiem elektriskās piedziņas jaudas pārslēgšanai. Platjoslas frekvenču materiāliem ir relatīvi lielāka joslas platums nekā tradicionālajiem pusvadītājiem, un tas nozīmē, ka enerģija, kas vajadzīga, lai elektrons varētu pāriet no valences joslas augšdaļas uz apakšējo joslu, ir lielāks par 1 vai 2 elektronu voltiem. Piemēram, silikonam ir joslas platums 1, 1 eV, bet GaN un SiC ir atstarpes lielākas par 2 eV . Tā rezultātā GaN un SiC enerģijas mikroshēmas ir daudz izturīgākas, darbojas augstākās spriegumos, frekvencēs un temperatūrās; slēdzi daudz ātrāk nekā tradicionālās pusvadītāju ierīces; un novērstu līdz pat 90% enerģijas zudumu.

Tirgus izlaides attiecībā uz diskrētiem jaudas ierīcēm līdz 2024. gadam Lux Research prognozē, ka silīcijs saglabās smago tirgus daļu - 87%, bet GaN un SiC prognozes periodā pieaugs straujāk. LUX pētījums paredz, ka 2024. gadā kopējais tirgus būs 23 miljardi ASV dolāru, un transporta daļa pieaugs līdz gandrīz 1, 2 miljardiem ASV dolāru, galvenokārt pateicoties pieprasījumam pēc GaN un SiC ierīcēm. "Transporta izmantošana veidos 65% no kopējā SiC tirgus un 41% no kopējā GaN tirgus", saskaņā ar pētījumu.

Visbiežāk izmantotie pusvadītāji galvenokārt konkurē par strāvas pielietojumu 600-1200 V diapazonā, savukārt tradicionālie jaudas MOSFET modeļi joprojām ir dominējošie modeļiem, kuru izmēri ir no 10 līdz 500 V. Piemēram, Transphorm Inc. 600 V GaN ierīces konkurē ar IGBT, super-savienojuma MOSFET un pat SiC ierīcēm, jo ​​SiC paplašina savu diapazonu līdz 650 V, teica Philip Zuk, tehniskā mārketinga direktors GaN pie Transfororm.

Vēl nesen "1, 200 līdz 1, 700 (V) tika uzskatīts par vidējo spriegumu (SiC), bet tagad mēs sākam redzēt piegādātājus, piemēram, Wolfspeed, uz leju līdz 900 V, un Rohm jau ir samazinājies līdz 650 V. Tātad, attiecībā uz GaN, ko mēs faktiski redzam, ir lielāka konkurence ar SiC šodien, nekā ar citiem GaN pakalpojumu sniedzējiem, "sacīja Zuk. SiC ir labāka siltumvadītspēja nekā GaN aptuveni 900 V; GaN ir priekšrocība zemā sprieguma un lieljaudas gadījumā, kā arī izmaksu priekšrocība visos spriegumos.

Vairākas ierīces, no kurām izvēlēties
Izstrādājot inženierus, novērtējot jaudas mikroshēmas, jāņem vērā vairāki faktori, ieskaitot spriegumu, strāvu, komutācijas ātrumu, slodzi, temperatūru un agrīnas pieņemšanas izmaksas. Ņemot vērā to, ka platjoslas saitītie pusvadītāji ir dārgāki par silīciju, un no automobiļu tirgus gūtie ieņēmumi ir lēni uzliesmojoši, bet ilgs dzīves cikls. "Priekšlaicīgi adoptētāji neredz ienākumus līdz pieciem gadiem, bet automobiļu tirgus būs lielais tirgus, jo visi strādā pie elektromobiļiem, " sacīja Zuk. "Tajā pašā laikā SiC tikai sāk iekļūt automobiļu tirgū."

Viņš piebilda: "Ja paskatās uz automobiļu rūpniecību, GaN tehnoloģija var darboties borta lādētājā, lādētājā AC / DC, papildaprīkojumā ar maiņstrāvas / līdzstrāvas papildu palīdzību, DC / DC papildu barošanas modulim un maiņstrāvas uzlādes stacijai. GaN šodien ir tas, kur mēs koncentrējamies. Šķiedra šodien nav lietojumprogramma par GaN, taču mēs strādājam pie tehnoloģijām, kas varētu tikt izmantotas, lai nākotnē darbinātu pārveidotājus. "

Image pieklājīgi no Transfororm
Starp konkurējošo pusvadītāju tehnoloģijām ir arī citi kompromisi . Salīdzinājumā ar standarta jaudas MOSFET, kas visplašāk tiek izmantoti zemā spriegumā, superkoncentrācijas MOSFET darbojas no 500 V līdz 900 V. IGBT, no otras puses, tiek izmantoti 400 V līdz 10 kV lietojumos un var bloķēt augstu spriegumu. Negatīvie ir tādi, ka silīcija ierīces ierobežo, cik ātri tās var pārslēgties, vienlaikus nodrošinot zemu vadītspējas zudumu, tādejādi pieprasa dārgas siltuma vadības metodes un ierobežot jaudas konversijas sistēmas efektivitāti. Dažās cietā komutācijas programmās silīcija bāzes IGBT darbojas tuvu GaN un SiC ierīcēm, bet tiem ir zemākas ražošanas izmaksas.

Saskaņā ar Steve Taranovich baltā grāmata, EDN vecākais analogo un jaudas tehniskais redaktors, SiC MOSFETs ir 3, 3 eV frekvenču josla, kā rezultātā rodas ļoti zemi pārslēgšanās zudumi, kas palielina efektivitāti un nodrošina augstākas frekvences darbību. Turklāt SiC MOSFET pozitīvais temperatūras koeficients ļauj viegli sadalīt, lai iegūtu augstākas darbības strāvas. SiC ekspozīcijas ir 10 reizes lielāks par sadalīšanās lauku un trīs reizes lielāks par silīcija MOSFETS siltumvadītspēju un labāku siltumvadītspēju nekā GaN 900 V, bet GaN ir zemas sprieguma un augstas jaudas priekšrocības, kā arī izmaksu priekšrocība visos spriegumos.

"Ko GaN piedāvā, ir augsta efektivitāte, jo tas pārslēdzas daudz ātrāk nekā silīcijs, " teica Transfororm Zuk. "Pārslēdzoties ātrāk, jūs varat darboties ar lielāku frekvenci, un tas sašaurina visas jūsu magnētiskās īpašības, palielinot jaudas blīvumu. Saskaņā ar Zuk teikto, "Transfororm's TPH3205WSBQA, 650-V 49-mΩ GaN FET, ir pirmais nozares GaN risinājums, lai nopelnītu AEC-Q101 kvalifikāciju, kas vajadzīga, lai piegādātu automobiļu rūpniecību.

Image pieklājīgi no Transfororm

Visbeidzot, plaša mēroga tirgus izplatība joprojām ir atkarīga no EV un hibrīda automobiļu tirgus pieņemšanas likmes. Bet, tā kā Bloomberg New Energy Finance prognozes, jaunās EV pārdošanas rādītāji varētu sasniegt pat 54% no jauno automašīnu pārdošanas apjoma līdz 2040. gadam, kad 33% no visiem automobiļu ražotājiem bija pilnībā elektriski. Plašs joslas platums ļauj automobiļu dizaineriem palielināt transmisijas efektivitāti un samazināt svaru, tādējādi atvieglojot trauksmes traucējumus.

"Efektivitātes uzlabošana par 5% līdz 10% var tikt uzskatīta par 5% līdz 10% no akumulatora izmaksas vai arī par 5% līdz 10%, " sacīja Wolfspeed Casady.

Lasiet pilnu EV īpašo ziņojumu šeit .