Huvudrollen för RF-halvledare i EV-revolutionen

Även om det ständigt ökande antalet 5G-utbyggnader och stigande försäljning av konsumentelektroniska enheter huvudsakligen kommer att skapa en gynnsam miljö för efterfrågetillväxten för halvledarkrafter, är fordonsindustrin fortfarande en av de viktigaste konsumentområdena för RF-kraftmoduler.

För närvarande genomgår bilindustrin en dynamisk elektrisk och digital revolution. Ett ökande antal fordon utsätts för elektrifiering, autonomi och färdig för anslutning. Allt beror på den ökande betydelsen av energieffektivitet och kommer att påskynda fordonsindustrins omvandling med grenrör. En viktig aspekt som kommer att förbli avgörande för att åstadkomma denna omvandling är dock RF-halvledaren, eftersom den har spelat en avgörande roll för att möjliggöra EV och hybrid EV (HEV).

Deltagande i branschens "zero emission" -förskjutning har världens ledande biltillverkare gjort anmärkningsvärda ansträngningar för att öka sina elektrifieringsprojekt. Forskningsdrivna prognoser tyder på att en majoritet av OEM: erna framträdande ser målen för elfordon och HEV, som ska uppnås 2025. Detta scenario uppmanar tydligt de betydande möjligheterna för högeffektiva RF-halvledare som effektivt skulle fungera vid förhöjda temperaturer. Tillverkare av RF-kraftmoduler fokuserar därför ständigt sina strategier på utveckling av produkter baserade på SiC (kiselkarbid), GaN (galliumnitrid) och WBG (wide band-gap) -teknik.

GaN Emerging som ett materialval för RF Power Semiconductors

Trots ett antal FoU-ansträngningar inom WBG-halvledarområdet har SiC-varianten förblivit det traditionella valet för elbilar och HEV under det senaste förflutna. Men på andra sidan har SiC redan kommit till mognadsstadiet på marknaden och utmanas av andra konkurrerande teknologier som vinner mark över det - särskilt när det gäller kraftelektronik och andra krävande applikationer i el- och hybridelektriska fordon.

Medan EVs och HEVs vanligtvis använder SiC-baserade RF-halvledare för reglering av DC / DC-omvandlare i drivlinan tenderar övergångstiden att begränsa deras omkopplingsfrekvenser mellan 10 kHz och 100 kHz. För närvarande satsar nästan alla biltillverkare runt om i världen på innovationer kring GaN-design av RF-kraftledare.

Introduktion av GaN-halvledare innebar ett löfte om att potentiellt kunna övervinna denna långvariga utmaning genom att möjliggöra omkopplingstid inom nanosekundområdet och drift vid temperaturer så höga som 200 ° C. Den snabbare funktionaliteten hos GaN-halvledare resulterar i hög omkopplingsfrekvens och därmed låg omkopplingsförlust. Dessutom minskar den elektroniska volymen med lägre effekt till minskad totalvikt, vilket därefter stöder lättare och mer effektiv ekonomi.

Flera studier förespråkar de facto potential för GaN-baserad halvledare för hög effektomvandling vid hög hastighet. Att gå över till en ny era av kraftelektronik som bäst skulle komplettera målet för el- och HEV: er, viktiga attribut för GaN-halvledarmaterial, såsom överlägsen kopplingshastighet, höga driftstemperaturer, mindre omkopplings- och konduktivitetsförluster, kompakt storlek förpackning och potentiell kostnad konkurrenskraft, kommer att fortsätta att placera GaN-baserade RF-halvledare över alla andra motsvarigheter.

Potentiella utmaningar som begränsar utbredningen av RF Power Semiconductor i EVs och HEVs

Trots alla innovationer och positiva resultat på marknaderna kvarstår fortfarande några utmaningar som hinder för RF-halvledares funktionalitet i elfordon. När allt kommer omkring är att köra en högeffektskomponent inom nanosekunder en komplex uppgift och kommer med flera svårigheter som ännu inte har lösts. En av de mest framträdande utmaningarna är förbättringen av spänningsvärden. Att förbättra effektiv drift vid högre temperaturer utan att ändra konventionell design är en annan viktig utmaning som fortsätter att fånga FoU-intressen i RF-halvledarutrymmet.

Faktum framhäver upprepade gånger att tillämpningar av kraftelektroniska moduler i el- och högtalarsystem är mycket krävande och deras prestanda bygger inte bara på spännings- och prestationsbaserade innovationer. Ett ständigt tryck när det gäller struktur- och designteknikförbättringar säkerställer uthållighet, tillförlitlighet och värmebeständighet hos RF-enheter i hybrid- och rena / elektriska fordon.

Förpackningsutmaningar fångar uppmärksamhet

Medan förvrängning av omgivande elektroniska delar har varit en annan faktor som utmanar lämpligheten hos RF-halvledaranordningar inom EV-konstruktioner, har EMC (epoxy molding compound) halvledarförpackningar framstått som ett mycket lukrativt forskningsområde, eftersom det möjliggör drift utan att störa de angränsande elektroniska komponenterna.

Dessutom, även om övergjutna RF-effektmoduler redan uppfattas som huvudströmmen inom den närmaste framtiden, har designerna fortfarande utrymme för förbättringar när det gäller termisk hantering. Ledande företag i RF-halvledarlandskapet betonar därmed att utvidga sina ansträngningar relaterade till förpackningar för att uppnå förbättrad tillförlitlighet för användning i elfordon.

Bättre framtid för WBG - Finns det någon?

Mot bakgrund av SiC: s mognad och GaN: s beprövade överlägsenhet misslyckas dock marknaden med tillförlitlighetsproblemen i samband med WBG, vilket så småningom begränsar marknadsinträngningen av WBG-typ FR-halvledare på lång sikt. Det enda sättet att uppnå konstruktion av mer robusta halvledare av WBG-typ ligger i djupare förståelse för deras felmekanismer under svåra driftsförhållanden. Experter menar också att WBG kan uppnå mognad på marknaden utan något konkret strategiskt stöd som skulle återupprätta deras tillförlitlighet för vidare användning.

Vad branschens Behemoths är upp till

Wolfspeed, det amerikanska Cree Inc.-företaget som specialiserat sig på högkvalitativa SiC- och GaN RF-kraftprodukter, lanserade nyligen en ny produkt som medför mer än 75% minskning av inverterförlusterna i EV-drivlinan. Med en sådan förbättrad effektivitet kommer ingenjörer sannolikt att upptäcka nya parametrar att förnya när det gäller batterianvändning, räckvidd, design, termisk hantering och förpackning.

Högspänningskretsarna för växelriktare i el- och hybridelektriska fordon genererar mycket värme och detta problem måste åtgärdas med effektiv kylmekanism. Forskning har rekommenderat om och om igen att minskningen av växelriktarens storlek och vikt är nyckeln till att uppnå förbättrad kylning av bilkomponenterna i el- och motorfordon.

På en liknande linje förblir en majoritet av ledarna i branschen (Hitachi, Ltd., till exempel) fokuserad på växelriktarmassa och storlek med hjälp av en dubbelkylningsteknik som använder antingen vätska eller luft för att direkt kyla den önskade hög- RF-spänningsmodul. En sådan mekanism möjliggör också ökad kompakthet och flexibilitet hos den övergripande designen och därmed till ansträngningarna att minska kraftgenereringsförlusterna.

Ser fram emot vikten av en kompakt design för att höja RF-effekt halvledarens tillämpbarhet i elfordon, som Mitsubishis ultrakompakta SiC-växelriktare framträder som en banbrytare. Mitsubishi Electric Corporation har särskilt utvecklat denna ultrakompakta RF-kraftprodukt för hybridbilar och hävdar att den är världens minsta SiC-enhet någonsin i sitt slag. Den reducerade förpackningsvolymen för denna enhet förbrukar betydligt mindre utrymme i fordonets interiör och stöder därmed högre bränsle och energieffektivitet. Enhetens kommersialisering förväntas de närmaste åren. Delvis stödd av New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japan), kommer företaget också snart att påbörja massproduktion av den ultrakompakta SiC-växelriktaren.

Förra året lanserades branschens första revolutionerande fältprogrammerbara styrenhet (FPCU) som en ny halvledararkitektur som potentiellt kan vara ansvarig för att öka räckvidden och prestandan hos el- och hybridelektriska fordon. Denna RF-halvledare är konstruerad av Silicon Mobility, baserad i Frankrike, med ett mål att möjliggöra att de befintliga EV- och HEV-teknikerna uppnår sin maximala potential. Silicon Mobilitys tillverkningspartner i utvecklingen av FPCU är den USA-baserade halvledartillverkaren - GlobalFoundries.

RF Power Semiconductor-efterfrågan att öka i Asien och Stillahavsområdet

Eftersom världen snabbt byter till koldioxidsnåla energikällor för att uppnå energieffektiv transport, är trycket att minimera koldioxidavtrycket på energieffektiva fordon i en byggnad. Även om massproduktionen har påbörjats för ungefär ett decennium sedan övergår marknaden för elbilar redan marknaden för konventionella fordon som körs på ICE (förbränningsmotor). Graden av expansion av förra är enligt uppgift nästan 10X som i senare och mot slutet av 2040, mer än 1/3 ^{: e} av den totala nybilsförsäljningen kommer att redovisas av elbilar.

De senaste uppgifterna från China Association of Automobile Manufacturers antyder att över en halv miljon elbilar såldes enbart i Kina under 2016, som huvudsakligen inkluderade kommersiella fordon och bussar. Medan Kina kommer att förbli den största marknaden för elbilar på lång sikt, har hastigheten på elproduktion varit konstant hög i hela Asien och Stillahavsområdet.

Förutom den kraftigt blomstrande konsumentelektronikindustrin har regionen bevittnat en betydande tillväxt på marknaden för elbilar, nyligen och därigenom skapat en stark möjlighet för penetration av RF-halvledare, företrädesvis baserat på GaN.

Den globala värderingen av RF-halvledarmarknaden är ungefär 12 miljarder US-dollar (vid slutet av 2018). Med banbrytande möjligheter till följd av uppkomsten av 5G-teknik, omfattande användning av trådlös nätverksinfrastruktur och IIoT (Industrial Internet of Things) -teknologi, välmående syn på konsumentelektroniklandskapet och växande försäljning av elfordon (EV), intäkterna från RF-halvledarmarknaden kommer sannolikt att växa med en imponerande årlig tillväxttakt på 12% fram till 2027.

Aditi Yadwadkar är en erfaren marknadsundersökningsförfattare och har skrivit mycket om elektronik- och halvledarindustrin. På Future Market Insights (FMI) arbetar hon nära med forskargruppen Electronics and Semiconductor för att tillgodose kundernas behov från hela världen. Dessa insikter är baserade på en nyligen genomförd studie om RF Power Semiconductor Market av FMI.