תפקידו העיקרי של מוליכים למחצה כוח RF במהפכת ev

למרות שהמספר ההולך וגדל של הפעלת 5G ומכירות המכשירים האלקטרוניים הצרכניים יעלו בעיקר סביבה נוחה לצמיחת הביקוש למוליכים למחצה של RF, תעשיית הרכב נותרה גם בין תחומי הצרכנות העיקריים במודולי הספק RF.

נכון לעכשיו, תעשיית הרכב עוברת מהפכה חשמלית ודיגיטלית דינמית. מספר עולה של כלי רכב נתון לחשמול, לאוטונומיה ולקישוריות מוכנים לקישור. הכל מסתכם בחשיבות הגוברת של יעילות אנרגטית ויאיץ את המהפך של תעשיית הרכב באמצעות סעפת. עם זאת, היבט חשוב שיישאר מכריע בכדי להביא לשינוי זה, הוא מוליך למחצה של RF, מכיוון שהוא מילא תפקיד מרכזי בהפעלת רכבי חשמל וחשמלי חשמל היברידי (HEV).

כאשר יצרניות הרכב המובילות בעולם השתתפו בשינוי ה"אפס פליטה "בתעשייה, נוקטים מאמצים מדהימים בכדי להגביר את הפרויקטים שלהם לחשמול הרכב. תחזיות מונעות מחקר מצביעות על כך שרוב יצרני המקור המקדישים עוקבים באופן בולט אחר היעדים של רכבי רכב חשמליים ו- HEV, שיושגו בשנת 2025. תרחיש זה מבקש בבירור את ההזדמנויות המשמעותיות של מוליכים למחצה חשמליים יעילים במיוחד אשר יתפקדו ביעילות בטמפרטורות גבוהות. יצרני מודולי הספק RF מתמקדים כל הזמן באסטרטגיות שלהם בפיתוח מוצרים המבוססים על טכנולוגיות SiC (סיליקון קרביד), GaN (גליום ניטריד) ו- WBG (פער רחב של פס).

GaN המתהווה כבחירת חומר עבור מוליכים למחצה RF

למרות מספר מאמצי מו"פ ששררו בתחום מוליכים למחצה של WBG, גרסת ה- SiC נותרה הבחירה המסורתית עבור רכבים חשמליים ו- HEV, בעבר האחרון. עם זאת, מהצד השני, SiC כבר הגיעה לשלב הבגרות בשוק ומאתגרת אותה על ידי טכנולוגיות מתחרות אחרות שתופסות מקום עליה - במיוחד במקרה של אלקטרוניקה כוח ויישומים תובעניים אחרים ברכבים חשמליים היברידיים.

בעוד שמונעי חשמל ומערכות HEV משתמשים בדרך כלל במוליכים למחצה כוח RF מבוססי SiC לוויסות ממירי DC / DC במתח הכוח, זמן המעבר נוטה להגביל את תדרי המעבר שלהם בין 10 קילוהרץ ל -100 קילוהרץ. נכון לעכשיו, כמעט כל יצרנית רכב ברחבי העולם משקיעה מאמצים חדשניים סביב עיצובי ה- GaN של מוליכים למחצה RF.

מבואו של מוליך למחצה של GaN הבטיח פוטנציאל להתגבר על האתגר הוותיק הזה על ידי הפעלת זמן החלפה בטווח הננו שנייה והפעלתו בטמפרטורות הגבוהות ביותר עד 200 מעלות צלזיוס. הפונקציונליות המהירה יותר של מוליכים למחצה GaN גורמת לתדר מיתוג גבוה ובכך לאובדן מיתוג נמוך. יתר על כן, עוצמת הקול האלקטרונית הנמוכה יותר מתורגמת למשקל כולל מופחת, התומך בהמשך בכלכלה קלה ויעילה יותר.

כמה מחקרים תומכים בפוטנציאל של מוליכים למחצה מבוססי GaN להמרת הספק גבוה במהירות גבוהה. מעבר לעידן חדש של אלקטרוניקה כוחית שתשלים בצורה הטובה ביותר את מטרתם של רכבי EV ו- HEV, תכונות עיקריות של חומרי מוליכים למחצה GaN, כגון מהירות מיתוג מעולה, טמפרטורות הפעלה גבוהות, הפסדי מיתוג ומוליכות נמוכים יותר, אריזה בגודל קומפקטי ועלות פוטנציאלית. תחרותיות, ימשיך להציב מוליכים למחצה RF מבוססי GaN על פני כל המקבילים האחרים.

האתגרים הפוטנציאליים המגבילים את מרחב מוליכים למחצה RF בתחום החשמליות וה- HEV

למרות כל החידושים והתוצאות החיוביות הנכנסים לשווקים, עדיין נותרו כמה אתגרים כמחסומים לפונקציונליות של מוליכים למחצה כוח RF ברכבים חשמליים. אחרי הכל, נהיגה ברכיב בעל הספק גבוה בתוך ננו שניות היא מטלה מורכבת ומגיעה עם קשיים מרובים שעוד לא נפתרו. אחד האתגרים הבולטים הוא שיפור דירוגי המתח. שיפור יכולת הפעילות היעילה בטמפרטורות גבוהות יותר מבלי לשנות עיצובים קונבנציונליים הוא אתגר חשוב נוסף הממשיך לתפוס אינטרסים של מו"פ במרחב מוליכים למחצה RF.

העובדה שוב ושוב מדגישה כי יישומים של מודולים אלקטרוניים חשמליים במונעי חשמל ורכבים חשמליים הם תובעניים ביותר וביצועיהם אינם נשענים רק על חידושים מבוססי מתח וביצועים. דחיפה מתמדת מבחינת שיפורים טכנולוגיים מבניים ועיצוביים מבטיחים סיבולת, אמינות ועמידות תרמית של מכשירי RF ברכבים חשמליים היברידיים וטהורים / סוללתיים.

אתגרי האריזה תופסים תשומת לב

בעוד שעיוות של חלקים אלקטרוניים מסביב היווה גורם נוסף המאתגר את ההתאמה של מכשירי מוליכים למחצה RF בתכנוני EV, אריזות מוליכים למחצה של EMC (תרכובת דפוס אפוקסי) התגלו כאזור מחקר משתלם ביותר, מכיוון שהוא מאפשר פעולה מבלי להפריע לרכיבים האלקטרוניים הסמוכים.

יתר על כן, אף על פי שמודולי הספק RF מוגזמים כבר נתפסים כמיינסטרים של העתיד הקרוב, לעיצובים יש עדיין מקום לשיפור מבחינת ניהול תרמי. חברות מובילות בנוף מוליכים למחצה RF מדגישות אפוא את הרחבת המאמצים הקשורים לאריזות להשגת אמינות משופרת לשימוש ברכבים חשמליים.

עתיד טוב יותר ל- WBG - האם יש כזה?

ברקע הבשלות של SiC והעליונות המוכחת של גאן, השוק אינו מצליח לפתור את חששות האמינות הקשורים ל- WBG, מה שמגביל בסופו של דבר את חדירת השוק של מוליכים למחצה FR מסוג WBG בטווח הארוך. הדרך היחידה להשיג הנדסה של מוליכים למחצה חזקים יותר מסוג WBG נעוצה בהבנה מעמיקה יותר של מנגנוני הכשל שלהם בתנאים מבצעיים קשים. מומחים טוענים גם כי WBG עשויה להגיע לבגרות בשוק ללא כל תמיכה אסטרטגית קונקרטית שתבסס מחדש את מהימנותם לשימוש נוסף.

מה העוסקים בבממות התעשייה

חברת וולפספיד, חברת קרי קרי בע"מ המתמחה בארה"ב, מתמחה במוצרי חשמל יוקרתיים מסוג SiC ו- GaN RF, השיקה לאחרונה מוצר חדש שמביא להפחתה של יותר מ 75% בהפסדי המהפך של מערכת ההינע. עם יעילות משופרת כזו, מהנדסים עשויים לגלות פרמטרים חדשים לחדש במונחים של שימוש בסוללה, טווח, תכנון, ניהול תרמי ואריזות.

המעגלים במתח גבוה של ממירים ברכבים חשמליים והיברידיים חשמליים מייצרים חום רב ויש לטפל בבעיה זו באמצעות מנגנון קירור יעיל. המחקר המליץ שוב ושוב כי צמצום הגודל והמשקל של הממירים הוא המפתח להשגת קירור משופר של רכיבי הרכב במונעי חשמל ורכב.

בשורה דומה, רוב המובילים בענף (היטאצ'י, בע"מ, למשל) נותרים ממוקדים במסת וגודל המהפך בעזרת טכנולוגיית קירור כפולה המשתמשת בנוזל או באוויר כדי לקרר ישירות את השיא הרצוי. מודול מתח RF. מנגנון כזה מאפשר גם תוספת לקומפקטיות ולגמישות של העיצוב הכללי ובכך, למאמצים להפחתת הפסדי ייצור החשמל.

מצפה לחשיבות של תכנון קומפקטי להעלאת תחולתו של מוליך למחצה כוח RF ברכבים חשמליים, כמו מהפך SiC האולטרה-קומפקטי של מיצובישי מופיע כפורץ דרך. חברת מיצובישי אלקטריק פיתחה במיוחד מוצר כוח RF זה קומפקטי במיוחד למכוניות חשמליות היברידיות וטוענת שהוא מכשיר ה- SiC הקטן ביותר בעולם מסוגו. נפח האריזה המופחת של מכשיר זה גוזל שטח פחות משמעותי בפנים הרכב ובכך מבסס דלק וחסכונות אנרגיה גבוהים יותר. המסחור של המכשיר צפוי בשנתיים הקרובות. בתמיכה חלקית של הארגון החדש לאנרגיה ופיתוח טכנולוגיה תעשייתית (NEDO, יפן), החברה תחל גם עם ייצור המוני של מהפך ה- SiC האולטרה קומפקטי.

בשנה שעברה הושקה יחידת הבקרה המהפכנית הניתנת לתכנות בתחום (FPCU) בתעשייה כארכיטקטורת מוליכים למחצה חדשה שיכולה להיות אחראית להעלאת הטווח והביצועים של כלי רכב חשמליים היברידיים. מכשיר מוליך למחצה RF זה תוכנן על ידי Silicon Mobility, שבסיסו בצרפת, במטרה לאפשר לטכנולוגיות EV ו- HEV הקיימות להשיג את הפוטנציאל המקסימלי שלהן. השותפה לייצור של סיליקון מוביליטי בפיתוח FPCU היא יצרנית המוליכים למחצה האמריקאית - GlobalFoundries.

דרישת מוליכים למחצה RF כוח להתגבר באזור אסיה הפסיפי

מכיוון שהעולם עובר במהירות למקורות אנרגיה דלי פחמן כדי להשיג תחבורה חסכונית באנרגיה, הלחץ של מזעור טביעת הרגל הפחמנית על כלי רכב חסכוניים באנרגיה. גם אם הייצור ההמוני החל לפני כעשור בלבד, שוק החשמליות כבר עולה על שוק הרכבים הקונבנציונליים הפועלים על ICE (מנוע בעירה פנימית). שיעור ההתרחבות של לשעבר הוא מדווח כמעט 10X לזה של מאוחר יותר לקראת סוף 2040, יותר מ 1/3 ^rd של מכירות הרכב החדשות הכוללות יטופל על ידי כלי רכב חשמליים.

הנתונים האחרונים של התאחדות יצרני הרכב הסינית מרמזים כי בסין בלבד נמכרו למעלה מחצי מיליון רכבי רכב בשנת 2016, שכללו בעיקר רכבים מסחריים ואוטובוסים. בעוד סין תישאר השוק הגדול ביותר עבור רכבים חשמליים בטווח הארוך, קצב ייצור החשמל היה בשיא קבוע בכל אזור אסיה האוקיאנוס השקט.

בנוסף לתעשיית האלקטרוניקה הצרכנית הפורחת באופן משמעותי, האזור חווה צמיחה ניכרת בשוק החשמליות, לאחרונה, ובכך יצר הזדמנות חזקה לחדירתם של מוליכים למחצה RF, רצוי בהתבסס על GaN.

ההערכה העולמית של שוק מוליכים למחצה RF היא בערך 12 מיליארד דולר (נכון לסוף 2018). עם הזדמנויות פורצות דרך הנובעות מההתחלה של טכנולוגיית 5G, אימוץ נרחב של תשתית רשת אלחוטית וטכנולוגיית IIoT (Internet of Things), השקפה משגשגת של נוף האלקטרוניקה הצרכנית ומכירות גדולות של רכבים חשמליים (EV), הכנסות שוק המוליכים למחצה של RF. צפויים להתרחב בקצב צמיחה שנתי מורכב של 12% עד שנת 2027.

Aditi Yadwadkar היא כותבת מחקר שוק מנוסה וכתבה רבות על תעשיית האלקטרוניקה והמוליכים למחצה. ב- Future Market Insights (FMI), היא עובדת בשיתוף פעולה הדוק עם צוות המחקר אלקטרוניקה וסמיקונדקטור בכדי לשרת את צרכיהם של לקוחות מכל רחבי העולם. תובנות אלו מבוססות על מחקר שפורסם לאחרונה על FMI בשוק ה- RF Power Semiconductor .