De hoofdrol van RF-vermogenshalfgeleider in EV-revolutie

Hoewel het steeds groter wordende aantal uitrol van 5G en de stijgende verkoop van consumentenelektronica overwegend een gunstige omgeving zal creëren voor de groei van de vraag naar RF-vermogenshalfgeleiders, blijft de auto-industrie ook een van de belangrijkste consumentengebieden van RF-vermogensmodules.

Momenteel ondergaat de auto-industrie een dynamische elektrische en digitale revolutie. Een groeiend aantal voertuigen is onderhevig aan elektrificatie, autonomie en klaar voor connectiviteit. Het komt allemaal neer op het toenemende belang van energie-efficiëntie en zal de transformatie van de auto-industrie op veel manieren versnellen. Een belangrijk aspect dat echter cruciaal blijft om deze transformatie tot stand te brengen, is de RF-vermogenshalfgeleider, aangezien deze een cruciale rol heeft gespeeld bij het mogelijk maken van EV's en hybride EV's (HEV's).

Door deel te nemen aan de "nulemissie" -verschuiving van de industrie, hebben 's werelds toonaangevende autofabrikanten opmerkelijke inspanningen geleverd om hun voertuigelektrificatieprojecten op te voeren. Onderzoeksgestuurde projecties geven aan dat een meerderheid van OEM 's prominent de doelstellingen voor EV's en HEV's in de gaten houdt, die in 2025 moeten worden gehaald. Dit scenario geeft duidelijk aanleiding tot de aanzienlijke kansen voor zeer efficiënte RF-vermogenshalfgeleiders die effectief zouden functioneren bij hoge temperaturen. Fabrikanten van RF-vermogensmodules richten hun strategieën dus voortdurend op de ontwikkeling van producten op basis van SiC- (siliciumcarbide), GaN- (galliumnitride) en WBG- (wide band-gap) -technologieën.

GaN komt in opkomst als materiaalkeuze voor RF-vermogenshalfgeleiders

Ondanks een aantal R & D-inspanningen op het gebied van WBG-halfgeleiders, is de SiC-variant in het recente verleden de traditionele keuze gebleven voor EV's en HEV's. Aan de andere kant is SiC echter al in de volwassenheidsfase van de markt aangekomen en wordt het uitgedaagd door andere technologieën van concurrenten die terrein winnen - vooral in het geval van vermogenselektronica en andere veeleisende toepassingen in elektrische en hybride elektrische voertuigen.

Terwijl EV's en HEV's typisch SiC-gebaseerde RF-vermogenshalfgeleiders gebruiken voor het regelen van DC / DC-omzetters in de aandrijflijn, heeft de overgangstijd de neiging om hun schakelfrequenties tussen 10 kHz en 100 kHz te beperken. Momenteel levert bijna elke autofabrikant over de hele wereld inspanningen op het gebied van innovatieve GaN-ontwerpen van RF-vermogenshalfgeleiders.

De introductie van GaN-halfgeleider hield de belofte in om deze langdurige uitdaging mogelijk te overwinnen door schakeltijd binnen het nanosecondebereik en werking bij temperaturen zo hoog als 200 ° C mogelijk te maken. De snellere functionaliteit van GaN-halfgeleider resulteert in een hoge schakelfrequentie en daardoor een laag schakelverlies. Bovendien vertaalt het elektronische volume met een lager vermogen zich in een lager totaalgewicht, wat vervolgens een lichtgewicht en efficiëntere economie ondersteunt.

Verschillende onderzoeken pleiten voor de facto het potentieel van op GaN gebaseerde halfgeleider voor een hoge vermogensconversie bij hoge snelheid. Verhuizen naar een nieuw tijdperk van vermogenselektronica dat het best past bij de doelstelling van EV's en HEV's, de belangrijkste kenmerken van GaN-halfgeleidermaterialen, zoals superieure schakelsnelheid, hoge bedrijfstemperaturen, minder schakel- en geleidingsverliezen, compacte verpakking en mogelijke kosten concurrentievermogen, zal GaN-gebaseerde RF-halfgeleiders blijven plaatsen boven alle andere tegenhangers.

Potentiële uitdagingen die de omvang van RF Power Semiconductor in EV's en HEV's beperken

Ondanks alle innovaties en positieve resultaten die de markten betreden, zijn er nog steeds een aantal uitdagingen die de functionaliteit van de RF-vermogenshalfgeleider in elektrische voertuigen belemmeren. Het aansturen van een hoogvermogencomponent binnen nanoseconden is immers een complexe klus en brengt meerdere problemen met zich mee die nog moeten worden opgelost. Een van de meest prominente uitdagingen is de verbetering van spanningswaarden. Het verbeteren van de efficiëntie bij hogere temperaturen zonder conventionele ontwerpen te veranderen is een andere belangrijke uitdaging die de R & D-belangen in de RF-halfgeleiderruimte blijft behartigen.

Het feit benadrukt herhaaldelijk dat toepassingen van vermogenselektronische modules in EV's en HEV's zeer veeleisend zijn en dat hun prestaties niet alleen afhankelijk zijn van op spanning en prestatie gebaseerde innovaties. Een constante push in termen van structurele en ontwerptechnologische verbeteringen zorgen voor duurzaamheid, betrouwbaarheid en thermische weerstand van RF-apparaten in hybride en pure / batterij-elektrische voertuigen.

Verpakkingsuitdagingen trekken de aandacht

Hoewel vervorming van omringende elektronische onderdelen een andere factor is die de geschiktheid van RF-halfgeleiderapparaten binnen EV-ontwerpen uitdaagt, is EMC-halfgeleiderverpakking (epoxy-gietmassa) een zeer lucratief onderzoeksgebied geworden, omdat het bedrijf mogelijk maakt zonder de naburige elektronische componenten te verstoren.

Bovendien, hoewel overmolded RF-vermogensmodules al worden gezien als de hoofdstroom van de nabije toekomst, hebben de ontwerpen nog steeds ruimte voor verbetering in termen van thermisch beheer. Toonaangevende bedrijven in het landschap van RF-halfgeleiders benadrukken dus dat ze hun inspanningen met betrekking tot verpakkingen verbreden om een ​​verbeterde betrouwbaarheid voor gebruik in elektrische voertuigen te bereiken.

Betere toekomst voor WBG - Is die er?

Tegen de achtergrond van de maturiteit van SiC en de bewezen superioriteit van GaN slaagt de markt er echter niet in de betrouwbaarheidsproblemen in verband met WBG weg te nemen, wat uiteindelijk de marktpenetratie van WBG-type FR-halfgeleiders op de lange termijn beperkt. De enige manier om engineering van robuustere halfgeleiders van het WBG-type te bereiken, ligt in een beter begrip van hun faalmechanismen in zware operationele omstandigheden. Deskundigen zijn ook van mening dat WBG volwassenheid op de markt zou kunnen bereiken zonder enige concrete strategische ondersteuning die hun betrouwbaarheid voor verder gebruik zou herstellen.

Wat de Behemoths van de industrie van plan zijn

Wolfspeed, het in de VS gevestigde bedrijf Cree Inc., gespecialiseerd in hoogwaardige SiC- en GaN-RF-stroomproducten, heeft onlangs een nieuw product gelanceerd dat de omvormerverliezen van EV-aandrijflijnen met meer dan 75% vermindert. Met een dergelijke verbeterde efficiëntie zullen ingenieurs waarschijnlijk nieuwe parameters ontdekken om te innoveren op het gebied van batterijgebruik, bereik, ontwerp, thermisch beheer en verpakking.

De hoogspanningscircuits van omvormers in elektrische en hybride elektrische voertuigen genereren veel warmte en dit probleem moet worden aangepakt met een efficiënt koelmechanisme. Onderzoek heeft keer op keer aanbevolen dat het verkleinen van de grootte en het gewicht van omvormers de sleutel is tot een betere koeling van de auto-onderdelen in EV's en HEV's.

Op dezelfde manier blijft een meerderheid van de leiders in de industrie (bijvoorbeeld Hitachi, Ltd.) gefocust op de massa en het formaat van de omvormer met behulp van een dubbele koeltechnologie die vloeistof of lucht gebruikt om de gewenste hoge temperatuur direct te koelen. spanning RF-voedingsmodule. Een dergelijk mechanisme maakt het ook mogelijk om de compactheid en flexibiliteit van het totale ontwerp te vergroten en daarmee de inspanningen om de verliezen op het gebied van stroomopwekking te verminderen.

Vooruitblikkend naar het belang van een compact ontwerp om de toepasbaarheid van de HF-vermogenshalfgeleider in elektrische voertuigen te vergroten, ontpopt zich bijvoorbeeld de ultracompacte SiC-omvormer van Mitsubishi als een pionier. Mitsubishi Electric Corporation heeft dit ultracompacte RF-voedingsproduct met name voor hybride elektrische voertuigen ontwikkeld en beweert dat het 's werelds kleinste SiC-apparaat in zijn soort is. Het verminderde verpakkingsvolume van dit apparaat neemt aanzienlijk minder ruimte in het interieur van het voertuig in beslag en ondersteunt dus een hogere brandstof- en energie-efficiëntie. De commercialisering van het apparaat wordt verwacht in de komende jaren. Mede ondersteund door de New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japan), zal het bedrijf binnenkort ook beginnen met de massaproductie van de ultracompacte SiC-omvormer.

Vorig jaar werd de eerste revolutionaire veldprogrammeerbare besturingseenheid (FPCU) in de branche gelanceerd als een nieuwe halfgeleiderarchitectuur die mogelijk verantwoordelijk kan zijn voor het vergroten van het bereik en de prestaties van elektrische en hybride elektrische voertuigen. Dit RF-halfgeleiderapparaat is ontwikkeld door Silicon Mobility, gevestigd in Frankrijk, met als doel de bestaande EV- en HEV-technologieën hun maximale potentieel te laten bereiken. De productiepartner van Silicon Mobility bij de ontwikkeling van FPCU is de in de VS gevestigde halfgeleiderfabrikant - GlobalFoundries.

Vraag naar RF Power Semiconductor stijgt in Azië-Pacific

Aangezien de wereld in hoog tempo overschakelt op koolstofarme energiebronnen om energie-efficiënt vervoer te realiseren, is de druk van het minimaliseren van de koolstofvoetafdruk op energiezuinige voertuigen in een gebouw. Zelfs als de massaproductie pas ongeveer tien jaar geleden is begonnen, overtreft de markt voor elektrische voertuigen al de markt voor conventionele voertuigen die op ICE (interne verbrandingsmotor) rijden. Het groeitempo van de voormalige is naar verluidt bijna 10X die van de later en tegen het einde van 2040, meer dan 1/3 ^e van de totale verkoop van nieuwe voertuigen zullen worden verklaard door EV's.

Volgens de laatste gegevens van de Chinese vereniging van automobielfabrikanten zijn er in 2016 alleen al in China meer dan een half miljoen elektrische voertuigen verkocht, waaronder voornamelijk bedrijfsvoertuigen en bussen. Hoewel China op de lange termijn de grootste markt voor elektrische voertuigen zal blijven, is het tempo van de EV-productie in de hele regio Azië-Pacific constant hoog gebleven.

Naast de aanzienlijk bloeiende consumentenelektronica-industrie, heeft de regio de laatste tijd een aanzienlijke groei van de markt voor elektrische voertuigen gekend, waardoor er een grote kans is ontstaan ​​voor de penetratie van RF-vermogenshalfgeleiders, bij voorkeur op basis van GaN.

De wereldwijde waardering van de markt voor RF-vermogenshalfgeleiders bedraagt ​​ongeveer 12 miljard dollar (eind 2018). Met baanbrekende kansen die voortvloeien uit de opkomst van 5G-technologie, uitgebreide acceptatie van draadloze netwerkinfrastructuur en IIoT-technologie (Industrial Internet of Things), welvarende vooruitzichten voor het landschap van consumentenelektronica en groeiende verkoop van elektrische voertuigen (EV), de inkomsten uit de RF-vermogenshalfgeleidermarkt zullen waarschijnlijk groeien met een indrukwekkende 12% samengestelde jaarlijkse groei tot 2027.

Aditi Yadwadkar is een ervaren schrijver van marktonderzoek en heeft veel geschreven over de elektronica- en halfgeleiderindustrie. Bij Future Market Insights (FMI) werkt ze nauw samen met het onderzoeksteam van Electronics and Semiconductor om aan de behoeften van klanten van over de hele wereld te voldoen. Deze inzichten zijn gebaseerd op een recent onderzoek naar RF Power Semiconductor Market door FMI.