EV Laporan Khas: Inovasi automotif merendahkan penggunaan semikonduktor lebar-bandgap

The Great Gildersleeve: Birdie Sings / Water Dept. Calendar / Leroy's First Date (Julai 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Mempergiakan penggunaan dan pendahuluan lebar lebar dalam teknologi drivetrain meningkatkan rangkaian pemacu - dan meningkatkan prestasi - dengan mengurangkan saiz sistem kuasa dan berat badan

Oleh Maximilian Teodorescu, Pengurus Kandungan AspenCore
Penyepaduan elektronik pengguna dengan kereta yang dibuat semikonduktor automotif merupakan salah satu segmen cip yang paling pesat berkembang antara tahun 2002 dan 2012. Pasaran itu purata pertumbuhan tahunan 8 peratus, kepada $ 24 bilion, sebelum kadarnya meruncing sebagai bilangan MCU bagi setiap kereta yang terletak di sekitar 100, McKinsey & Co. dilaporkan. Kini, menanggapi kebimbangan terhadap alam sekitar yang semakin meningkat, pembuat kereta utama sedang bersedia untuk memalsukan model berasaskan bahan api fosil dan menukar kepada aliran elektrik dalam beberapa dekad akan datang - sesetengahnya sebaik sahaja 2019 . Pembuat alat bantu automotif semakin rancak untuk gelombang pertumbuhan baru dari elektrifikasi jalan masuk dan penambahan kecerdasan kenderaan selanjutnya.

"The drivetrain adalah peluang besar seterusnya" untuk semikonduktor berdasarkan silikon serta alternatif lebar lebar seperti gallium nitride dan silikon karbida, kata Jeff Casady, pengurus pembangunan dan program di Wolfspeed, pembekal kuasa GaN dan SiC dan RF peranti. "Kenderaan elektrik, secara amnya, baru muncul sekarang, jadi itu semua silikon, tetapi semuanya rendah. Sebagai tanjakan kelantangan, ia adalah pasaran yang cukup besar.

"Di Eropah, anda terutama melihat OEM yang benar-benar komited kepada EV, di mana empat hingga lima tahun dahulu ia adalah sesuatu yang baru, " kata Casady, yang merujuk kepada komitmen yang dibuat oleh negara-negara seperti Norway dan Belanda untuk fasa fosil l berasaskan kenderaan sepenuhnya pada tahun 2025.

Peluang untuk pencetak skru nontradisional
Menurut laporan McKinsey 2016, kenderaan elektrik sepenuhnya mewakili kurang daripada 1% jualan kenderaan baru pada tahun 2016, tetapi angka itu boleh meningkat setinggi 5% hingga 10% pada tahun 2020. Kenaikan dalam penggunaan EV dapat memacu pertumbuhan terbesar dalam cip automotif dalam tempoh sepuluh tahun akan datang, mewujudkan peluang pertumbuhan bagi syarikat-syarikat semikonduktor yang bukan pembekal automotif secara tradisional.

Pada tahun 2013, drivetrains menyumbang 30 peratus daripada semua kandungan semikonduktor di dalam kereta, dengan EV yang mengandungi lebih daripada $ 1, 000 mesin drivetrain versus $ 100 yang disusun purata oleh cakera dalaman. Peninjau pasaran menjangkakan pertumbuhan lebih lanjut dalam semikonduktor drivetrain - dan peningkatan kandungan cip automotif secara keseluruhan - apabila EV menjadi semakin kompleks, mengamalkan penglihatan mesin, GPU, DRAM, dan flash NAND sebagai persediaan untuk kedatangan kenderaan pengguna yang memandu sendiri.

Memperluas penggunaan hibrida dan EV membuat peluang untuk pembekal semikonduktor tidak menentu untuk memenangi bahagian pasaran dalam segmen yang tidak konservatif. Pengeluar jarang menukar pembekal untuk elektronik yang mengawal kuasa dan drivetrains mereka, tetapi reka bentuk asas gergaji elektronik masih berkembang dengan setiap generasi, ketika pembuat mencari cara untuk menolak batas kecekapan tenaga di luar semikonduktor silikon.

"Kira-kira lima tahun yang lalu, sesetengah pembuat skru mendakwa bahawa kuasa berasaskan silikon tradisional MOSFET telah memukul dinding, menyebabkan keperluan untuk teknologi transistor kuasa baru, " tulis Mark Lapedus, editor eksekutif untuk pembuatan di SemiconductorEngineering.com. Memandangkan undang-undang Moore semakin dekat, pengilang komponen elektronik memandang ke luar MOSFET silikon ke transistor bipolar transistor (IGBTs) dan semikonduktor lebar lebar, seperti voltan tinggi gali nitrida (GaN) dan silikon karbida (SiC) MOSFET .

Mengapa semiconductors lebar-bandgap?
Semikonduktor kompaun seperti GaN dan SiC muncul sebagai penyelesaian praktikal untuk mengendalikan penukaran kuasa di gelanggang elektrik. Bahan melingkar lebar mempunyai bandgap yang lebih besar daripada semikonduktor tradisional, yang bermaksud bahawa tenaga yang diperlukan untuk elektron untuk melompat dari bahagian atas jalur valensi ke band bawah lebih besar daripada 1 atau 2 elektron-volt. Silicon, sebagai contoh, mempunyai bandgap 1.1 eV, manakala GaN dan SiC mempunyai jurang yang lebih besar daripada 2 eV . Akibatnya, cip kuasa GaN dan SiC lebih tahan lama, beroperasi pada voltan tinggi, frekuensi, dan suhu; menukar jauh lebih cepat daripada peranti semikonduktor konvensional; dan menghapuskan sehingga 90% kehilangan kuasa.

Di dalam unjuran pasaran untuk peranti kuasa diskret melalui 2024, Lux Research mengunjurkan bahawa silikon akan berpegang kepada bahagian pasaran yang besar di 87 peratus, tetapi GaN dan SiC akan berkembang pada kadar yang lebih pantas sepanjang tempoh ramalan. Kajian Lux memproyeksikan jumlah pasaran $ 23 bilion untuk discretes kuasa pada tahun 2024, dengan segmen pengangkutan berkembang menjadi hampir $ 1, 2 miliar, sebagian besar didorong oleh permintaan untuk GaN dan perangkat SiC. "Penggunaan pengangkutan akan mencakupi 65% daripada jumlah pasaran untuk SiC dan 41% daripada jumlah pasaran untuk GaN, " menurut kajian itu.

Semikonduktor lebar-bandgap terutamanya bersaing untuk aplikasi kuasa dalam lingkungan 600 hingga 1, 200-V, manakala kuasa tradisional MOSFET kekal dominan untuk reka bentuk pada 10 hingga 500 V. Sebagai contoh, peranti 600-V GaN Transphorm Inc. bersaing dengan IGBTs, MOSFET, dan bahkan peranti SiC, sebagai SiC memperluaskan jajarannya hingga 650 V, kata Philip Zuk, pengarah kanan pemasaran teknikal untuk GaN di Transform.

Sehingga baru-baru ini, "1, 200 hingga 1, 700 (V) dianggap voltan sederhana (untuk SiC), tetapi sekarang kita mula melihat pembekal seperti Wolfspeed turun ke 900 V, dan Rohm sudah turun hingga 650 V. Jadi, untuk GaN, apa yang sebenarnya kita lihat adalah lebih banyak persaingan dengan SiC hari ini berbanding dengan pembekal GaN yang lain, "kata Zuk. SiC mempunyai kekonduksian terma yang lebih baik daripada GaN pada sekitar 900 V; GaN mempunyai kelebihan prestasi pada voltan rendah dan kuasa tinggi, dan kelebihan kos pada semua voltan.

Beberapa peranti untuk dipilih
Jurutera reka bentuk mesti mempertimbangkan beberapa faktor apabila menilai cip kuasa, termasuk voltan, semasa, kelajuan beralih, beban, suhu, dan kos awal penggunaan. Ia menimbang memandangkan semikonduktor semikonduktor lebar lebih mahal daripada silikon, dan hasil yang dihasilkan dari pasaran automotif mempamerkan perlahan-lahan lambat tetapi kitaran hayat yang panjang. "Pengangkut awal tidak akan melihat hasil sehingga lima tahun, tetapi pasaran automotif akan menjadi pasaran besar kerana semua orang bekerja di kereta elektrik, " kata Zuk. "Sementara itu, SiC baru mula menembusi pasaran automotif."

"Jika anda melihat automotif, teknologi GaN boleh beroperasi di dalam pengecas onboard, AC / DC onboard charger, AC / DC inverter tambahan, modul kuasa tambahan DC / DC, dan stesen pengecasan AC. Untuk GaN hari ini, ini adalah tempat kami fokus. Daya tarikan bukanlah aplikasi untuk GaN hari ini, tetapi kami sedang mengusahakan teknologi yang mungkin dikenakan untuk memacu penyongsang pada masa akan datang. "

Gambar ihsan Transform
Terdapat lain-lain trade-off antara teknologi semikonduktor yang bersaing. Berbanding dengan kuasa standard MOSFET, yang paling banyak digunakan pada voltan rendah, fungsi MOSFET superjuran dari 500 V hingga 900 V. IGBTs, sebaliknya, digunakan dalam aplikasi 400-V hingga 10-kV dan boleh menghalang voltan tinggi. Kelemahannya adalah bahawa peranti silikon adalah terhad dengan seberapa cepat mereka boleh bertukar semasa menyampaikan kerugian konduksi rendah di negara, dengan itu memerlukan kaedah pengurusan haba yang mahal dan mengehadkan kecekapan sistem penukaran kuasa. Dalam sesetengah aplikasi yang beralih keras, fungsi IGBT berasaskan silikon dekat dengan peranti GaN dan SiC tetapi menanggung kos pembuatan yang lebih rendah.

Menurut kertas putih oleh Steve Taranovich, editor teknikal senior analog dan kuasa EDN, SiC MOSFET mempunyai bandgap 3.3 eV, mengakibatkan kerugian penukaran yang sangat rendah, yang meningkatkan kecekapan dan membolehkan operasi frekuensi tinggi. Di samping itu, pekali suhu positif SiC MOSFET membenarkan paralleling mudah untuk mendapatkan arus operasi yang lebih tinggi. SiC mempamerkan 10 kali medan kerosakan dan tiga kali kekonduksian terma MOSFETS silikon, dan kekonduksian haba yang lebih baik daripada GaN pada 900 V, manakala GaN mempunyai kelebihan prestasi pada voltan rendah dan kuasa tinggi, bersama-sama dengan kelebihan kos merentas semua voltan.

"Apa yang ditawarkan GaN adalah kecekapan tinggi kerana ia beralih jauh lebih cepat daripada silikon, " kata Zuk Transpormasi. "Apabila anda bertukar lebih pantas, anda boleh berjalan pada frekuensi yang lebih tinggi, dan mengecilkan semua magnet anda, meningkatkan ketumpatan kuasa. Ini menghasilkan aplikasi yang lebih kecil dan produk yang lebih kecil. "TPH3205WSBQA Transformer, 650-V 49-mΩ GaN FET, merupakan penyelesaian GaN pertama industri untuk mendapatkan kelayakan AEC-Q101 yang diperlukan untuk membekalkan industri automotif, menurut Zuk.

Gambar ihsan Transform

Pada akhirnya, penembusan pasaran bandgap yang luas masih bergantung kepada kadar penggunaan pasaran automotif EV dan hibrid. Tetapi seperti ramalan Bloomberg New Energy Finance, kadar jualan baru EV boleh mencecah setinggi 54% daripada semua jualan kereta baru menjelang 2040, dengan 33% daripada semua litar penuh pembuat elektrik yang elektrik. Semi lebar bandgap membolehkan pereka kereta untuk meningkatkan kecekapan memandu dan mengurangkan berat badan, dengan itu mengurangkan isu kebimbangan pelbagai.

"Meningkatkan kecekapan dengan 5% hingga 10% boleh dilihat sebagai mengambil 5% hingga 10% daripada kos bateri, atau melanjutkan julat sebanyak 5% hingga 10%, " kata Wolfadeed Casady.

Baca Laporan Khas EV yang lengkap di sini .