Il ruolo fondamentale dei semiconduttori di potenza RF nella rivoluzione elettrica

Sebbene il numero sempre crescente di roll-out 5G e l'aumento delle vendite di dispositivi elettronici di consumo creerà prevalentemente un ambiente favorevole per la crescita della domanda di semiconduttori di potenza RF, anche l'industria automobilistica rimane tra le aree di consumo chiave dei moduli di potenza RF.

Attualmente, l'industria automobilistica sta attraversando una dinamica rivoluzione elettrica e digitale. Un numero crescente di veicoli è soggetto a elettrificazione, autonomia e predisposizione per la connettività. Tutto si riduce alla crescente importanza dell'efficienza energetica e accelererà la trasformazione dell'industria automobilistica per molteplice. Tuttavia, un aspetto importante che rimarrà cruciale per realizzare questa trasformazione, è il semiconduttore di potenza RF, poiché ha svolto un ruolo fondamentale nell'abilitazione di veicoli elettrici e veicoli elettrici ibridi (HEV).

Partecipando al cambiamento del settore a "emissioni zero", le principali case automobilistiche del mondo hanno compiuto notevoli sforzi per intensificare i loro progetti di elettrificazione dei veicoli. Le proiezioni guidate dalla ricerca indicano che la maggior parte degli OEM sta puntando in modo prominente sugli obiettivi per veicoli elettrici e HEV, da raggiungere nel 2025. Questo scenario suggerisce chiaramente le opportunità significative per semiconduttori di potenza RF altamente efficienti che funzionerebbero efficacemente a temperature elevate. I produttori di moduli di potenza RF concentrano quindi costantemente le loro strategie sullo sviluppo di prodotti basati sulle tecnologie SiC (carburo di silicio), GaN (nitruro di gallio) e WBG (wide band-gap).

GaN emergente come scelta di materiale per semiconduttori di potenza RF

Nonostante una serie di sforzi di ricerca e sviluppo prevalenti nel regno dei semiconduttori WBG, la variante SiC è rimasta la scelta tradizionale per veicoli elettrici e HEV, nel recente passato. Tuttavia, d'altra parte, il SiC è già arrivato alla fase di maturità del mercato ed è messo alla prova da altre tecnologie concorrenti che stanno guadagnando terreno su di esso, in particolare nel caso dell'elettronica di potenza e di altre applicazioni impegnative nei veicoli elettrici e ibridi elettrici.

Mentre EV e HEV utilizzano tipicamente semiconduttori di potenza RF basati su SiC per la regolazione dei convertitori CC / CC nel gruppo propulsore, il tempo di transizione tende a limitare le loro frequenze di commutazione tra 10 kHz e 100 kHz. Attualmente, quasi tutte le case automobilistiche in tutto il mondo si stanno impegnando per innovare i progetti GaN dei semiconduttori di potenza RF.

L'introduzione del semiconduttore GaN ha mantenuto la promessa di superare potenzialmente questa sfida di lunga data consentendo il tempo di commutazione entro un intervallo di nanosecondi e il funzionamento a temperature fino a 200 ° C. La funzionalità più veloce del semiconduttore GaN si traduce in un'elevata frequenza di commutazione e quindi una bassa perdita di commutazione. Inoltre, il volume elettronico di potenza inferiore si traduce in un peso complessivo ridotto, che successivamente supporta leggerezza e maggiore efficienza.

Diversi studi sostengono de facto il potenziale dei semiconduttori basati su GaN per la conversione ad alta potenza ad alta velocità. Passaggio a una nuova era dell'elettronica di potenza che completerebbe al meglio l'obiettivo di veicoli elettrici e HEV, attributi chiave dei materiali semiconduttori GaN, come velocità di commutazione superiore, temperature di esercizio elevate, minori perdite di conduttività e commutazione, imballaggi di dimensioni compatte e costo potenziale competitività, continuerà a collocare semiconduttori RF basati su GaN su tutte le altre controparti.

Potenziali sfide che limitano l'estensione dei semiconduttori di potenza RF in veicoli elettrici e HEV

Nonostante tutte le innovazioni e i risultati positivi che entrano nei mercati, rimangono ancora alcune sfide come barriere alla funzionalità dei semiconduttori di potenza RF nei veicoli elettrici. Dopotutto, guidare un componente ad alta potenza in nanosecondi è un compito complesso e presenta molteplici difficoltà che devono ancora essere risolte. Una delle sfide più importanti è il miglioramento dei valori di tensione. Il miglioramento dell'operatività efficiente a temperature più elevate senza alterare i progetti convenzionali è un'altra sfida importante che continua a catturare gli interessi di ricerca e sviluppo nello spazio dei semiconduttori RF.

Il fatto evidenzia ripetutamente che le applicazioni dei moduli elettronici di potenza nei veicoli elettrici e negli HEV sono molto impegnative e le loro prestazioni non si basano solo su innovazioni basate sulla tensione e sulle prestazioni. Una spinta costante in termini di miglioramenti tecnologici strutturali e di progettazione garantisce durata, affidabilità e resistenza termica dei dispositivi RF all'interno di veicoli elettrici ibridi e puri / a batteria.

Le sfide del packaging stanno catturando l'attenzione

Mentre la distorsione delle parti elettroniche circostanti è stato un altro fattore che ha messo in discussione l'idoneità dei dispositivi semiconduttori RF all'interno dei progetti EV, l'imballaggio dei semiconduttori EMC (epoxy moulding compound) è emerso come un'area di ricerca altamente redditizia, in quanto consente il funzionamento senza disturbare i componenti elettronici vicini.

Inoltre, sebbene i moduli di potenza RF sovrastampati siano già percepiti come la corrente principale del prossimo futuro, i progetti hanno ancora margini di miglioramento in termini di gestione termica. Le aziende leader nel panorama dei semiconduttori RF stanno quindi enfatizzando l'ampliamento degli sforzi relativi al packaging per ottenere una maggiore affidabilità per l'utilizzo nei veicoli elettrici.

Futuro migliore per WBG - Ce n'è?

Sullo sfondo della maturità del SiC e della comprovata superiorità del GaN, il mercato non riesce tuttavia a risolvere i problemi di affidabilità associati al WBG, che alla fine sta limitando la penetrazione nel mercato dei semiconduttori di tipo FR di tipo WBG a lungo termine. L'unico modo per ottenere l'ingegneria di semiconduttori di tipo WBG più robusti risiede nella comprensione più profonda dei loro meccanismi di guasto in condizioni operative difficili. Gli esperti ritengono inoltre che WBG possa raggiungere la maturità nel mercato senza alcun supporto strategico concreto che ne ristabilisca l'affidabilità per un ulteriore utilizzo.

Cosa stanno combinando i Behemoth del settore

Wolfspeed, la società statunitense Cree Inc. specializzata in prodotti di potenza RF SiC e GaN di alta qualità, ha recentemente lanciato un nuovo prodotto che riduce di oltre il 75% le perdite dell'inverter della trasmissione EV. Con questa maggiore efficienza, è probabile che gli ingegneri scoprano nuovi parametri per innovare in termini di utilizzo della batteria, autonomia, design, gestione termica e imballaggio.

I circuiti ad alta tensione degli inverter nei veicoli elettrici e ibridi generano molto calore e questo problema deve essere affrontato con un meccanismo di raffreddamento efficiente. La ricerca ha raccomandato ripetutamente che la riduzione delle dimensioni e del peso degli inverter è la chiave per ottenere un migliore raffreddamento dei componenti automobilistici nei veicoli elettrici e negli HEV.

Su una linea simile, la maggior parte dei leader del settore (Hitachi, Ltd., per esempio) rimane concentrata sulla massa e sulle dimensioni dell'inverter con l'aiuto di una doppia tecnologia di raffreddamento che utilizza liquido o aria per raffreddare direttamente l'alta velocità desiderata. modulo di potenza RF di tensione. Un tale meccanismo consente inoltre di aumentare la compattezza e la flessibilità del progetto complessivo e quindi gli sforzi per ridurre le perdite di generazione di energia.

In attesa dell'importanza di un design compatto per aumentare l'applicabilità dei semiconduttori di potenza RF nei veicoli elettrici, l'inverter SiC ultracompatto di Mitsubishi emerge come un pioniere. Mitsubishi Electric Corporation ha sviluppato in particolare questo prodotto di potenza RF ultracompatto per veicoli elettrici ibridi e afferma che è il dispositivo SiC più piccolo al mondo nel suo genere. Il volume di confezionamento ridotto di questo dispositivo consuma molto meno spazio all'interno del veicolo e quindi è alla base di una maggiore efficienza energetica e di carburante. La commercializzazione del dispositivo è prevista nei prossimi due anni. In parte supportata dalla New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Giappone), l'azienda inizierà presto anche con la produzione in serie dell'inverter SiC ultracompatto.

L'anno scorso, la prima rivoluzionaria unità di controllo programmabile sul campo (FPCU) del settore è stata lanciata come una nuova architettura a semiconduttori che può essere potenzialmente responsabile dell'aumento della portata e delle prestazioni dei veicoli elettrici e ibridi elettrici. Questo dispositivo a semiconduttore RF è progettato da Silicon Mobility, con sede in Francia, con l'obiettivo di consentire alle tecnologie EV e HEV esistenti di raggiungere il loro massimo potenziale. Il partner di produzione di Silicon Mobility nello sviluppo di FPCU è il produttore di semiconduttori con sede negli Stati Uniti - GlobalFoundries.

La domanda di semiconduttori di potenza RF è in aumento nella regione Asia-Pacifico

Poiché il mondo sta rapidamente passando a fonti di energia a basse emissioni di carbonio per ottenere trasporti efficienti dal punto di vista energetico, la pressione di ridurre al minimo l'impronta di carbonio sui veicoli a basso consumo energetico in un edificio. Anche se la produzione di massa è iniziata circa un decennio fa, il mercato dei veicoli elettrici sta già superando il mercato dei veicoli convenzionali che funzionano con ICE (motore a combustione interna). Il tasso di espansione del primo è riferito quasi 10 volte quella del più tardi e verso la fine del 2040, più di 1/3 ^° del totale delle vendite di veicoli nuovi sarà contabilizzata per veicoli elettrici.

Gli ultimi dati dell'Associazione cinese dei produttori di automobili indicano che oltre mezzo milione di veicoli elettrici sono stati venduti solo in Cina, nell'anno 2016, che comprendeva principalmente veicoli commerciali e autobus. Mentre la Cina rimarrà il più grande mercato per i veicoli elettrici a lungo termine, il tasso di produzione di veicoli elettrici è stato costantemente alto in tutta la regione dell'Asia del Pacifico.

Oltre alla fiorente industria dell'elettronica di consumo, la regione ha assistito recentemente a una crescita considerevole del mercato dei veicoli elettrici, creando così una forte opportunità per la penetrazione dei semiconduttori di potenza RF, preferibilmente basati su GaN.

La valutazione globale del mercato dei semiconduttori di potenza RF è di circa 12 miliardi di dollari (alla fine del 2018). Con opportunità rivoluzionarie derivanti dall'avvento della tecnologia 5G, ampia adozione di infrastrutture di rete wireless e tecnologia IIoT (Industrial Internet of Things), prospettive prospere del panorama dell'elettronica di consumo e vendite in crescita di veicoli elettrici (EV), i ricavi del mercato dei semiconduttori di potenza RF è probabile che si espanderà a un impressionante tasso di crescita annuale composto del 12% fino al 2027.

Aditi Yadwadkar è una scrittrice esperta di ricerche di mercato e ha scritto molto sul settore dell'elettronica e dei semiconduttori. In Future Market Insights (FMI), lavora a stretto contatto con il team di ricerca di Electronics and Semiconductor per soddisfare le esigenze dei clienti di tutto il mondo. Queste intuizioni si basano su un recente studio sul mercato dei semiconduttori RF Power di FMI.