O papel básico do semicondutor de potência rf na revolução ev

Embora o número cada vez maior de implementações de 5G e as crescentes vendas de dispositivos eletrônicos ao consumidor criarão predominantemente um ambiente favorável para o crescimento da demanda de semicondutores de potência RF, a indústria automotiva também permanece entre as principais áreas de consumo de módulos de potência RF.

Atualmente, a indústria automotiva está passando por uma revolução elétrica e digital dinâmica. Um número crescente de veículos está sujeito à eletrificação, autonomia e pronto para conectividade. Tudo se resume à crescente importância da eficiência energética e vai acelerar a transformação da indústria automotiva por múltiplos. No entanto, um aspecto importante que permanecerá crucial para realizar essa transformação é o semicondutor de potência de RF, já que desempenhou um papel fundamental na habilitação de EVs e EVs híbridos (HEVs).

Participando da mudança de “emissão zero” da indústria, as principais montadoras do mundo têm feito esforços notáveis ​​para acelerar seus projetos de eletrificação de veículos. As projeções baseadas em pesquisas indicam que a maioria dos OEMs está de olho nos alvos para EVs e HEVs, a serem cumpridos em 2025. Este cenário mostra claramente as oportunidades significativas para semicondutores de potência de RF altamente eficientes que funcionariam efetivamente em temperaturas elevadas. Os fabricantes de módulos de potência de RF estão constantemente focando suas estratégias no desenvolvimento de produtos baseados nas tecnologias SiC (carboneto de silício), GaN (nitreto de gálio) e WBG (gap largo).

GaN emergindo como uma escolha de material para semicondutores de potência de RF

Apesar de uma série de esforços de P&D prevalecentes no reino de semicondutores WBG, a variante SiC permaneceu a escolha tradicional para EVs e HEVs, no passado recente. Porém, por outro lado, o SiC já atingiu o estágio de maturidade no mercado e está sendo desafiado por outras tecnologias concorrentes que estão ganhando espaço - principalmente no caso de eletrônica de potência e outras aplicações exigentes em veículos elétricos e híbridos elétricos.

Enquanto EVs e HEVs normalmente utilizam semicondutores de potência RF baseados em SiC para a regulação de conversores DC / DC no trem de força, o tempo de transição tende a restringir suas frequências de comutação entre 10 kHz e 100 kHz. Atualmente, quase todas as montadoras em todo o mundo estão investindo esforços em projetos inovadores de GaN para semicondutores de potência de RF.

A introdução do semicondutor GaN manteve a promessa de potencialmente superar este desafio de longa data, permitindo o tempo de comutação dentro da faixa de nanossegundos e operação em temperaturas de até 200 ° C. A funcionalidade mais rápida do semicondutor GaN resulta em alta frequência de comutação e, portanto, baixa perda de comutação. Além disso, o volume eletrônico de menor potência se traduz em peso geral reduzido, que subsequentemente oferece economia de peso e mais eficiência.

Vários estudos defendem o potencial de fato do semicondutor baseado em GaN para conversão de alta potência em alta velocidade. Movendo-se para uma nova era de eletrônica de potência que melhor complementaria o objetivo de EVs e HEVs, os principais atributos dos materiais semicondutores GaN, como velocidade de comutação superior, altas temperaturas de operação, menor comutação e perdas de condutividade, embalagem compacta e custo potencial competitividade, continuará a colocar semicondutores de RF baseados em GaN sobre todas as outras contrapartes.

Potenciais desafios que limitam a expansão do semicondutor de potência de RF em EVs e HEVs

Apesar de todas as inovações e resultados positivos que entram nos mercados, alguns desafios ainda permanecem como as barreiras para a funcionalidade do semicondutor de potência de RF em veículos elétricos. Afinal, dirigir um componente de alta potência em nanossegundos é uma tarefa complexa e vem com várias dificuldades que ainda precisam ser resolvidas. Um dos desafios mais importantes é a melhoria das classificações de tensão. Melhorar a operabilidade eficiente em temperaturas mais altas sem alterar os designs convencionais é outro desafio importante que continua a capturar interesses de P&D no espaço de semicondutores de RF.

O fato destaca repetidamente que as aplicações de módulos eletrônicos de potência em EVs e HEVs são altamente exigentes e seu desempenho não depende apenas de inovações baseadas em tensão e desempenho. Um impulso constante em termos de melhorias estruturais e de tecnologia de design garante a durabilidade, confiabilidade e resistência térmica dos dispositivos de RF em veículos elétricos híbridos e puros / a bateria.

Os desafios de embalagem estão chamando a atenção

Embora a distorção das peças eletrônicas ao redor tenha sido outro fator que desafia a adequação dos dispositivos semicondutores de RF em projetos de EV, o empacotamento de semicondutores EMC (composto de moldagem epóxi) emergiu como uma área de pesquisa altamente lucrativa, pois permite a operação sem perturbar os componentes eletrônicos vizinhos.

Além disso, embora os módulos de potência de RF sobremoldados já sejam percebidos como o mainstream do futuro próximo, os projetos ainda têm espaço para melhorias em termos de gerenciamento térmico. As empresas líderes no cenário de semicondutores de RF estão, portanto, enfatizando a ampliação de seus esforços relacionados à embalagem para alcançar maior confiabilidade para uso em veículos elétricos.

Futuro melhor para o WBG - existe algum?

No cenário de maturidade do SiC e superioridade comprovada do GaN, o mercado está falhando em resolver as preocupações de confiabilidade associadas ao WBG, o que eventualmente limita a penetração no mercado de semicondutores FR do tipo WBG no longo prazo. A única maneira de obter engenharia de semicondutores do tipo WBG mais robustos reside em um entendimento mais profundo de seus mecanismos de falha em condições operacionais adversas. Os especialistas também opinam que o WBG pode atingir a maturidade no mercado sem qualquer suporte estratégico concreto que restabeleça sua confiabilidade para utilização futura.

O que os gigantes da indústria estão fazendo

Wolfspeed, a empresa Cree Inc. sediada nos Estados Unidos, especializada em produtos de potência premium SiC e GaN RF, lançou recentemente um novo produto que traz mais de 75% de redução nas perdas do inversor do trem de força EV. Com essa eficiência aprimorada, os engenheiros provavelmente descobrirão novos parâmetros para inovar em termos de uso, alcance, design, gerenciamento térmico e embalagem da bateria.

Os circuitos de alta tensão dos inversores em veículos elétricos e híbridos geram muito calor e esse problema precisa ser tratado com um mecanismo de resfriamento eficiente. A pesquisa tem recomendado repetidas vezes que a redução do tamanho e peso dos inversores é a chave para obter um melhor resfriamento dos componentes automotivos em VEs e HEVs.

Em uma linha semelhante, a maioria dos líderes da indústria (Hitachi, Ltd., por exemplo) permanece focada na massa e no tamanho do inversor com a ajuda de uma tecnologia de resfriamento duplo que usa líquido ou ar para resfriar diretamente a alta temperatura desejada. módulo de potência RF de tensão. Tal mecanismo também permite aumentar a compactação e flexibilidade do projeto geral e, assim, os esforços para reduzir as perdas na geração de energia.

Olhando para a importância de um design compacto para aumentar a aplicabilidade do semicondutor de potência RF em veículos elétricos, o inversor SiC ultracompacto da Mitsubishi surge como um pioneiro. A Mitsubishi Electric Corporation desenvolveu particularmente este produto de potência de RF ultracompacto para EVs híbridos e afirma que é o menor dispositivo de SiC de seu tipo no mundo. O volume de embalagem reduzido deste dispositivo consome significativamente menos espaço no interior do veículo e, portanto, sustenta uma maior eficiência de combustível e energia. A comercialização do dispositivo está prevista para os próximos dois anos. Parcialmente apoiada pela Organização de Desenvolvimento de Nova Energia e Tecnologia Industrial (NEDO, Japão), a empresa também iniciará em breve a produção em massa do inversor SiC ultracompacto.

No ano passado, a primeira unidade de controle programável de campo (FPCU) revolucionária da indústria foi lançada como uma nova arquitetura de semicondutor que pode ser potencialmente responsável por aumentar o alcance e o desempenho de veículos elétricos e híbridos. Este dispositivo semicondutor de RF é projetado pela Silicon Mobility, com sede na França, com o objetivo de permitir que as tecnologias EV e HEV existentes atinjam seu potencial máximo. O parceiro de fabricação da Silicon Mobility no desenvolvimento da FPCU é a fabricante de semicondutores com sede nos Estados Unidos - GlobalFoundries.

A demanda por semicondutores de energia RF aumentará na região da Ásia-Pacífico

À medida que o mundo está mudando rapidamente para fontes de energia com baixo teor de carbono para alcançar um transporte eficiente em energia, a pressão para minimizar a pegada de carbono em veículos com eficiência energética em um edifício. Mesmo que a produção em massa tenha sido iniciada há apenas cerca de uma década, o mercado de EVs já está ultrapassando o mercado de veículos convencionais que funcionam com ICE (motor de combustão interna). A taxa de expansão do primeiro é declaradamente quase 10x a da tarde e no final de 2040, mais de 1/3 ^rd do total das vendas de novos veículos serão contabilizados por EVs.

Os dados mais recentes da Associação Chinesa de Fabricantes de Automóveis indicam que mais de meio milhão de VEs foram vendidos somente na China, no ano de 2016, que incluía principalmente veículos comerciais e ônibus. Enquanto a China continuará sendo o maior mercado para EVs no longo prazo, a taxa de produção de EVs tem estado em alta constante em toda a região Ásia-Pacífico.

Além da indústria de eletrônicos de consumo significativamente próspera, a região tem testemunhado um crescimento considerável do mercado de EVs, recentemente, criando uma forte oportunidade para a penetração de semicondutores de potência de RF, preferencialmente baseados em GaN.

A avaliação global do mercado de semicondutores de potência de RF é de aproximadamente US $ 12 bilhões (no final de 2018). Com oportunidades revolucionárias decorrentes do início da tecnologia 5G, ampla adoção de infraestrutura de rede sem fio e tecnologia IIoT (Internet das Coisas Industrial), perspectiva próspera do cenário de eletrônicos de consumo e vendas crescentes de veículos elétricos (EV), receitas do mercado de semicondutores de potência de RF provavelmente se expandirão a uma impressionante taxa de crescimento anual composta de 12% até 2027.

Aditi Yadwadkar é uma experiente redatora de pesquisas de mercado e tem escrito extensivamente sobre a indústria de eletrônicos e semicondutores. No Future Market Insights (FMI), ela trabalha em estreita colaboração com a equipe de pesquisa de eletrônicos e semicondutores para atender às necessidades de clientes em todo o mundo. Esses insights são baseados em um estudo recente sobre o RF Power Semiconductor Market da FMI.