Vai trò chính của chất bán dẫn công suất rf trong cuộc cách mạng ev

Mặc dù số lượng triển khai 5G ngày càng tăng và doanh số bán thiết bị điện tử tiêu dùng ngày càng tăng chủ yếu sẽ tạo ra môi trường thuận lợi cho sự tăng trưởng nhu cầu về chất bán dẫn công suất RF, nhưng ngành công nghiệp ô tô vẫn là một trong những lĩnh vực tiêu dùng chính của mô-đun công suất RF.

Hiện nay, ngành công nghiệp ô tô đang trải qua một cuộc cách mạng điện và kỹ thuật số năng động. Một số lượng tăng vọt các phương tiện giao thông phải được điện khí hóa, tự chủ và sẵn sàng kết nối. Tất cả bắt nguồn từ tầm quan trọng ngày càng tăng của hiệu quả năng lượng và sẽ thúc đẩy sự chuyển đổi của ngành công nghiệp ô tô theo mô hình đa dạng. Tuy nhiên, một khía cạnh quan trọng sẽ vẫn mang tính quyết định để tạo ra sự chuyển đổi này, đó là chất bán dẫn công suất RF, vì nó đã đóng một vai trò quan trọng trong việc kích hoạt EV và EV lai (HEV).

Tham gia vào sự thay đổi “không phát thải” của ngành, các nhà sản xuất ô tô hàng đầu thế giới đã và đang có những nỗ lực đáng kể trong việc tăng cường các dự án điện khí hóa xe của họ. Các dự báo dựa trên nghiên cứu chỉ ra rằng phần lớn các OEM đang chú ý đến các mục tiêu cho EVs và HEV, sẽ được đáp ứng vào năm 2025. Kịch bản này rõ ràng đưa ra những cơ hội đáng kể cho các chất bán dẫn công suất RF hiệu quả cao hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao. Do đó, các nhà sản xuất mô-đun công suất RF không ngừng tập trung chiến lược của họ vào việc phát triển các sản phẩm dựa trên công nghệ SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride) và WBG (wide band-gap).

GaN nổi lên như một sự lựa chọn vật liệu cho chất bán dẫn công suất RF

Bất chấp một số nỗ lực R & D đang thịnh hành trong lĩnh vực bán dẫn WBG, biến thể SiC vẫn là lựa chọn truyền thống cho EV và HEV, trong thời gian qua. Tuy nhiên, ở khía cạnh khác, SiC đã đến giai đoạn chín muồi trên thị trường và đang bị thách thức bởi các công nghệ của đối thủ cạnh tranh khác đang giành được vị thế - đặc biệt trong trường hợp điện tử công suất và các ứng dụng đòi hỏi khắt khe khác trong xe điện và xe điện hybrid.

Trong khi EV và HEV thường sử dụng chất bán dẫn công suất RF dựa trên SiC để điều chỉnh bộ chuyển đổi DC / DC trong hệ thống truyền lực, thời gian chuyển tiếp có xu hướng hạn chế tần số chuyển đổi của chúng trong khoảng từ 10 kHz đến 100 kHz. Hiện tại, hầu hết các nhà sản xuất ô tô trên toàn thế giới đang nỗ lực cải tiến các thiết kế GaN của chất bán dẫn công suất RF.

Việc giới thiệu chất bán dẫn GaN hứa hẹn có khả năng vượt qua thách thức lâu dài này bằng cách cho phép thời gian chuyển mạch trong phạm vi nano giây và hoạt động ở nhiệt độ cao tới 200 ° C. Chức năng nhanh hơn của chất bán dẫn GaN dẫn đến tần số chuyển mạch cao và do đó, suy hao chuyển mạch thấp. Hơn nữa, khối lượng điện tử công suất thấp hơn chuyển thành trọng lượng tổng thể giảm, do đó hỗ trợ việc tiết kiệm nhẹ và hiệu quả hơn.

Một số nghiên cứu ủng hộ tiềm năng trên thực tế của chất bán dẫn dựa trên GaN để chuyển đổi công suất cao ở tốc độ cao. Chuyển sang một kỷ nguyên mới của điện tử công suất sẽ bổ sung tốt nhất cho mục tiêu của EV và HEV, các thuộc tính chính của vật liệu bán dẫn GaN, chẳng hạn như tốc độ chuyển mạch vượt trội, nhiệt độ hoạt động cao, chuyển đổi và tổn thất độ dẫn điện ít hơn, bao bì kích thước nhỏ gọn và chi phí tiềm năng khả năng cạnh tranh, sẽ tiếp tục đặt chất bán dẫn RF dựa trên GaN trên tất cả các đối tác khác.

Những thách thức tiềm ẩn Giới hạn sự mở rộng của chất bán dẫn công suất RF trong EVs & HEV

Bất chấp tất cả những đổi mới và kết quả tích cực khi thâm nhập thị trường, một số thách thức vẫn còn đó là rào cản đối với chức năng của chất bán dẫn công suất RF trong xe điện. Rốt cuộc, việc điều khiển một thành phần công suất cao trong vòng nano giây là một công việc phức tạp và đi kèm với nhiều khó khăn chưa được giải quyết. Một trong những thách thức nổi bật nhất là cải thiện xếp hạng điện áp. Nâng cao khả năng hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao hơn mà không làm thay đổi thiết kế thông thường là một thách thức quan trọng khác tiếp tục thu hút các mối quan tâm của R & D trong không gian bán dẫn RF.

Thực tế nhiều lần nhấn mạnh rằng các ứng dụng của mô-đun điện tử công suất trong EV và HEV có yêu cầu cao và hiệu suất của chúng không chỉ dựa vào các cải tiến dựa trên hiệu suất và điện áp. Sự thúc đẩy không ngừng về cải tiến công nghệ cấu trúc và thiết kế đảm bảo độ bền, độ tin cậy và khả năng chịu nhiệt của các thiết bị RF trong xe điện hybrid và xe điện thuần túy / pin.

Những thách thức về bao bì đang thu hút sự chú ý

Trong khi sự biến dạng của các bộ phận điện tử xung quanh là một yếu tố khác thách thức sự phù hợp của các thiết bị bán dẫn RF trong các thiết kế EV, thì bao bì bán dẫn EMC (hợp chất đúc epoxy) đã nổi lên như một lĩnh vực nghiên cứu sinh lợi cao, vì nó cho phép hoạt động mà không làm ảnh hưởng đến các thành phần điện tử lân cận.

Hơn nữa, mặc dù các mô-đun công suất RF được bán chạy quá mức đã được coi là xu hướng chủ đạo trong tương lai gần, nhưng các thiết kế vẫn có phạm vi cải tiến về mặt quản lý nhiệt. Do đó, các công ty hàng đầu trong lĩnh vực bán dẫn RF đang nhấn mạnh việc mở rộng các nỗ lực của họ liên quan đến đóng gói để đạt được độ tin cậy được cải thiện trong việc sử dụng xe điện.

Tương lai tốt đẹp hơn cho WBG - Có không?

Trong bối cảnh sự trưởng thành của SiC và tính ưu việt đã được chứng minh của GaN, thị trường tuy nhiên vẫn chưa giải quyết được những lo ngại về độ tin cậy liên quan đến WBG, điều này cuối cùng đang hạn chế sự thâm nhập thị trường của chất bán dẫn WBG loại FR về lâu dài. Cách duy nhất để đạt được kỹ thuật của chất bán dẫn loại WBG mạnh mẽ hơn là hiểu sâu hơn về cơ chế hỏng hóc của chúng trong các điều kiện hoạt động khắc nghiệt. Các chuyên gia cũng cho rằng WBG có thể đạt được sự trưởng thành trên thị trường mà không có bất kỳ hỗ trợ chiến lược cụ thể nào có thể thiết lập lại độ tin cậy của họ để tiếp tục sử dụng.

Những người khổng lồ trong ngành đang làm gì

Wolfspeed, công ty Cree Inc. có trụ sở tại Hoa Kỳ chuyên sản xuất các sản phẩm điện SiC và GaN RF cao cấp, gần đây đã tung ra một sản phẩm mới giúp giảm hơn 75% tổn thất biến tần của hệ thống truyền động EV. Với hiệu suất được cải thiện như vậy, các kỹ sư có khả năng khám phá ra các thông số mới để đổi mới về cách sử dụng pin, phạm vi sử dụng, thiết kế, quản lý nhiệt và đóng gói.

Mạch điện cao áp của biến tần trong xe điện lai tạo ra rất nhiều nhiệt và vấn đề này cần được giải quyết bằng cơ chế làm mát hiệu quả. Nghiên cứu đã khuyến nghị hết lần này đến lần khác rằng việc giảm kích thước và trọng lượng của bộ biến tần là chìa khóa để cải thiện khả năng làm mát của các bộ phận ô tô trong xe điện và xe điện.

Tương tự, phần lớn các công ty hàng đầu trong ngành (chẳng hạn như Hitachi, Ltd.) vẫn tập trung vào kích thước và khối lượng biến tần với sự trợ giúp của công nghệ làm lạnh kép sử dụng chất lỏng hoặc không khí để làm mát trực tiếp mức cao mong muốn mô-đun nguồn RF điện áp. Cơ chế như vậy cũng cho phép tăng thêm tính nhỏ gọn và tính linh hoạt của thiết kế tổng thể và do đó, cho những nỗ lực trong việc giảm tổn thất phát điện.

Mong muốn tầm quan trọng của một thiết kế nhỏ gọn để nâng cao khả năng ứng dụng của chất bán dẫn công suất RF trong xe điện, biến tần SiC siêu nhỏ gọn của Mitsubishi nổi lên như một thiết bị tiên phong. Tập đoàn Mitsubishi Electric đã đặc biệt phát triển sản phẩm năng lượng RF siêu nhỏ gọn này cho xe điện hybrid và tuyên bố nó là thiết bị SiC nhỏ nhất thế giới thuộc loại này. Khối lượng đóng gói giảm của thiết bị này tiêu thụ ít không gian hơn trong nội thất xe và do đó tạo cơ sở cho việc tiết kiệm nhiên liệu và năng lượng cao hơn. Việc thương mại hóa thiết bị này được dự đoán trong vài năm tới. Được hỗ trợ một phần bởi Tổ chức Phát triển Công nghệ Công nghiệp và Năng lượng Mới (NEDO, Nhật Bản), công ty cũng sẽ sớm bắt đầu sản xuất hàng loạt biến tần SiC siêu nhỏ gọn.

Năm ngoái, thiết bị điều khiển lập trình trường mang tính cách mạng đầu tiên của ngành (FPCU) đã được ra mắt như một kiến ​​trúc bán dẫn mới có khả năng chịu trách nhiệm thúc đẩy phạm vi và hiệu suất của xe điện và xe điện hybrid. Thiết bị bán dẫn RF này được chế tạo bởi Silicon Mobility, có trụ sở tại Pháp, với mục tiêu cho phép các công nghệ EV và HEV hiện có đạt được tiềm năng tối đa của chúng. Đối tác sản xuất của Silicon Mobility trong quá trình phát triển FPCU là nhà sản xuất chất bán dẫn có trụ sở tại Hoa Kỳ - GlobalFoundries.

Nhu cầu bán dẫn công suất RF tăng cao ở khu vực Châu Á Thái Bình Dương

Khi thế giới đang nhanh chóng chuyển sang các nguồn năng lượng các-bon thấp để đạt được phương tiện giao thông hiệu quả năng lượng, áp lực giảm thiểu lượng khí thải các-bon lên các phương tiện tiết kiệm năng lượng trong một tòa nhà. Ngay cả khi việc sản xuất hàng loạt chỉ mới bắt đầu cách đây khoảng một thập kỷ, thị trường xe điện đã vượt xa thị trường xe thông thường chạy bằng ICE (động cơ đốt trong). Tốc độ mở rộng của xe cũ được báo cáo là gần gấp 10 ^lần so với sau đó và đến cuối năm 2040, hơn 1/3 tổng doanh số bán xe mới sẽ được tính bằng xe điện.

Dữ liệu mới nhất của Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô Trung Quốc cho thấy hơn nửa triệu chiếc EV đã được bán chỉ riêng ở Trung Quốc, trong năm 2016, chủ yếu bao gồm xe thương mại và xe buýt. Trong khi Trung Quốc sẽ vẫn là thị trường lớn nhất đối với xe điện trong dài hạn, tốc độ sản xuất xe điện vẫn ở mức cao không đổi trong toàn bộ khu vực Châu Á Thái Bình Dương.

Ngoài ngành công nghiệp điện tử tiêu dùng phát triển mạnh mẽ, khu vực này còn chứng kiến ​​sự tăng trưởng đáng kể của thị trường xe điện, gần đây, do đó tạo ra cơ hội mạnh mẽ cho sự thâm nhập của chất bán dẫn công suất RF, tốt nhất là dựa trên GaN.

Định giá toàn cầu của thị trường bán dẫn công suất RF là khoảng 12 tỷ đô la Mỹ (tính đến cuối năm 2018). Với những cơ hội đột phá phát sinh từ sự ra đời của công nghệ 5G, việc áp dụng rộng rãi cơ sở hạ tầng mạng không dây và công nghệ IIoT (Internet vạn vật công nghiệp), triển vọng thịnh vượng của cảnh quan điện tử tiêu dùng và doanh số bán xe điện (EV) ngày càng tăng, doanh thu thị trường bán dẫn công suất RF có khả năng mở rộng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm ấn tượng 12% đến năm 2027.

Aditi Yadwadkar là một nhà văn nghiên cứu thị trường giàu kinh nghiệm và đã viết nhiều về ngành Điện tử và Chất bán dẫn. Tại Future Market Insights (FMI), cô làm việc chặt chẽ với nhóm nghiên cứu Điện tử và Chất bán dẫn để phục vụ nhu cầu của khách hàng trên toàn cầu. Những hiểu biết này dựa trên một nghiên cứu gần đây về Thị trường bán dẫn công suất RF của FMI.