Роль высокочастотных силовых полупроводников в революции электромобилей


Хотя постоянно растущее число развертываний 5G и рост продаж потребительских электронных устройств в основном создадут благоприятную среду для роста спроса на силовые радиочастотные полупроводники, автомобильная промышленность также остается одной из ключевых областей потребления радиочастотных силовых модулей.

Роль высокочастотных силовых полупроводников в революции электромобилей

В настоящее время автомобильная промышленность переживает динамичную электрическую и цифровую революцию. Растущее число транспортных средств подлежит электрификации, автономности и готовности к подключению. Все это сводится к растущей важности энергоэффективности и многократно ускорит трансформацию автомобильной промышленности. Однако важным аспектом, который будет оставаться решающим для осуществления этой трансформации, является силовой ВЧ-полупроводник, поскольку он сыграл ключевую роль в создании электромобилей (EV) и гибридных электромобилей (hybrid EV, HEV).

Участвуя в переходе к «нулевым выбросам» в отрасли, ведущие мировые автопроизводители прилагают значительные усилия по наращиванию своих проектов по электрификации транспортных средств. Прогнозы, основанные на исследованиях, показывают, что большинство OEM-производителей уделяют особое внимание целям для электромобилей и гибридных автомобилей, которые должны быть достигнуты в 2025 году. Этот сценарий ясно указывает на значительные возможности для высокоэффективных силовых радиочастотных полупроводников, которые будут эффективно работать при повышенных температурах. Таким образом, производители силовых ВЧ-модулей постоянно сосредотачивают свои стратегии на разработке продуктов на основе технологий SiC (silicon carbide - карбид кремния), GaN (gallium nitride - нитрид галлия) и WBG (wide band-gap - широкозонная область).

Как устроены современные электромобили с инженерной точки зрения вы можете прочитать в этой статье.

GaN становится материалом выбора для силовых ВЧ-полупроводников

Несмотря на ряд исследований и разработок, преобладающих в области полупроводников WBG, вариант SiC в недавнем прошлом оставался традиционным выбором для электромобилей и гибридных автомобилей. Однако, с другой стороны, SiC уже достиг стадии зрелости на рынке, и ему бросают вызов другие технологии конкурентов, которые набирают силу, особенно в случае силовой электроники и других требовательных приложений в электрических и гибридных электромобилях.

В то время как в электромобилях и гибридных автомобилях обычно используются силовые высокочастотные полупроводники на основе SiC для регулирования преобразователей постоянного тока в трансмиссии, время перехода имеет тенденцию ограничивать их частоту переключения между 10 кГц и 100 кГц. В настоящее время почти каждый автопроизводитель во всем мире прилагает усилия к инновационным разработкам силовых ВЧ-полупроводников на основе GaN.

Внедрение полупроводника GaN обещало потенциально решить эту давнюю проблему, обеспечив время переключения в наносекундном диапазоне и работу при температурах до 200°C. Более быстрая функциональность полупроводника GaN приводит к высокой частоте переключения и, следовательно, к низким потерям переключения. Кроме того, меньший объем электроники приводит к уменьшению общего веса, что впоследствии способствует снижению веса и повышению эффективности.

Некоторые исследования де-факто подтверждают потенциал полупроводников на основе GaN для преобразования большой мощности на высокой скорости. Переход к новой эре силовой электроники, которая лучше всего соответствует целям электромобилей и гибридных автомобилей, ключевым характеристикам полупроводниковых материалов GaN, таким как превосходная скорость переключения, высокие рабочие температуры, меньшие потери на переключение и проводимость, компактный размер корпуса и потенциальная стоимость, конкурентоспособность, продолжит ставить ВЧ-полупроводники на основе GaN над всеми другими аналогами.

Потенциальные проблемы, ограничивающие распространение силовых ВЧ-полупроводников в электромобилях и гибридных автомобилях

Несмотря на все инновации и положительные результаты выхода на рынки, все еще остается несколько проблем, таких как барьеры для функциональности силовых ВЧ-полупроводников в электромобилях. В конце концов, управление мощным компонентом за наносекунды — сложная задача, сопряженная с множеством трудностей, которые еще предстоит решить. Одной из наиболее важных задач является улучшение номинальных напряжений. Повышение эффективности работы при более высоких температурах без изменения традиционных конструкций является еще одной важной задачей, которая продолжает захватывать интересы НИОКР в области ВЧ-полупроводников.

Этот факт неоднократно подчеркивает, что применение силовых электронных модулей в электромобилях и гибридных автомобилях очень требовательно, и их производительность зависит не только от инноваций, основанных на напряжении и производительности. Постоянное стремление к совершенствованию структурных и конструктивных технологий обеспечивает долговечность, надежность и термическую стойкость радиочастотных устройств в гибридных и аккумуляторных электромобилях.

Проблемы упаковки привлекают внимание

В то время как искажение окружающих электронных деталей было еще одним фактором, затрудняющим пригодность радиочастотных полупроводниковых устройств в конструкциях электромобилей, полупроводниковая упаковка компонентов с точки зрения их ЭМС (электромагнитная совместимость) стала очень прибыльной областью исследований, поскольку она позволяет работать, не нарушая работу соседних электронных компонентов.

Более того, хотя формованные радиочастотные силовые модули уже воспринимаются как основное направление ближайшего будущего, в их конструкциях все еще есть возможности для улучшения с точки зрения управления температурным режимом. Таким образом, ведущие компании в сфере производства радиочастотных полупроводников подчеркивают расширение своих усилий, связанных с упаковкой, для достижения повышенной надежности при использовании в электромобилях.

Лучшее будущее для WBG – есть ли оно?

Однако на фоне зрелости SiC и доказанного превосходства GaN рынок не может решить проблемы надежности, связанные с WBG, что в конечном итоге ограничивает проникновение на рынок огнестойких полупроводников типа WBG в долгосрочной перспективе. Единственный способ добиться создания более надежных полупроводников типа WBG заключается в более глубоком понимании механизмов их выхода из строя в суровых условиях эксплуатации. Эксперты также полагают, что WBG может достичь зрелости на рынке без какой-либо конкретной стратегической поддержки, которая восстановила бы их надежность для дальнейшего использования.

Что задумали гиганты отрасли?

Wolfspeed , американская компания Cree Inc., специализирующаяся на высокочастотных силовых продуктах SiC и GaN, недавно выпустила новый продукт, который обеспечивает более чем 75% снижение потерь в инверторе трансмиссии электромобилей. Благодаря такой повышенной эффективности инженеры, вероятно, откроют для себя новые параметры для инноваций с точки зрения использования батарей, дальности действия, дизайна, управления температурным режимом и упаковки.

Высоковольтные схемы инверторов в электрических и гибридных электромобилях выделяют много тепла, и эту проблему необходимо решать с помощью эффективного механизма охлаждения. Исследования неоднократно показывали, что уменьшение размера и веса инверторов является ключом к улучшению охлаждения автомобильных компонентов электромобилей и гибридных автомобилей.

Аналогичным образом, большинство лидеров отрасли (например, Hitachi, Ltd. ) по-прежнему уделяют особое внимание массе и размеру инвертора с помощью технологии двойного охлаждения, которая использует либо жидкость, либо воздух для непосредственного охлаждения желаемой высокой мощности и напряжения ВЧ силового модуля. Такой механизм также позволяет повысить компактность и гибкость всей конструкции и, тем самым, снизить потери при выработке электроэнергии.

Учитывая важность компактной конструкции для расширения возможностей применения силовых ВЧ-полупроводников в электромобилях, ультракомпактный SiC-инвертор Mitsubishi становится в этой области новатором. Компания Mitsubishi Electric Corporation специально разработала этот сверхкомпактный радиочастотный источник питания для гибридных электромобилей и утверждает, что это самое маленькое в мире устройство на основе карбида кремния такого типа. Уменьшенный объем упаковки этого устройства занимает значительно меньше места в салоне автомобиля и, таким образом, обеспечивает более высокую топливную и энергетическую эффективность. Коммерциализация устройства ожидается в ближайшие пару лет. При частичной поддержке Организации по развитию новой энергетики и промышленных технологий (NEDO, Япония) компания также вскоре начнет массовое производство сверхкомпактного SiC-инвертора.

В прошлом году был представлен первый в отрасли революционный программируемый блок управления (FPCU) с новой полупроводниковой архитектурой, который потенциально может способствовать увеличению запаса хода и производительности электрических и гибридных электромобилей. Это радиочастотное полупроводниковое устройство разработано французской компанией Silicon Mobility с целью дать возможность существующим технологиям электромобилей и гибридов реализовать свой максимальный потенциал. Производственным партнером Silicon Mobility в разработке FPCU является американский производитель полупроводников GlobalFoundries.

Спрос на силовые радиочастотные полупроводники в Азиатско-Тихоокеанском регионе резко вырастет

Поскольку мир быстро переключается на низкоуглеродные источники энергии для достижения энергоэффективного транспорта, необходимость минимизации выбросов углекислого газа на энергоэффективных транспортных средствах возрастает. Даже если массовое производство было начато всего около десяти лет назад, рынок электромобилей уже опережает рынок обычных автомобилей, работающих на ДВС (двигателях внутреннего сгорания). Сообщается, что темпы роста первого почти в 10 раз превышают темпы роста второго, и к концу 2040 года более 1/3 общего объема продаж новых автомобилей будет приходиться на электромобили.

По последним данным Китайской ассоциации автопроизводителей, в 2016 году только в Китае было продано более полумиллиона электромобилей, в основном это коммерческие автомобили и автобусы. Хотя Китай останется крупнейшим рынком электромобилей в долгосрочной перспективе, темпы производства электромобилей остаются на постоянно высоком уровне во всем Азиатско-Тихоокеанском регионе.

Помимо значительно процветающей индустрии бытовой электроники, в последнее время в регионе наблюдается значительный рост рынка электромобилей, что создает хорошие возможности для проникновения силовых высокочастотных полупроводников, предпочтительно на основе GaN.

Глобальная оценка рынка силовых радиочастотных полупроводников составляет примерно 12 миллиардов долларов США (по состоянию на конец 2018 года). Благодаря революционным возможностям, возникшим благодаря появлению технологии 5G, широкому внедрению инфраструктуры беспроводных сетей и технологии IIoT (Industrial Internet of Things - промышленный Интернет вещей), процветающим перспективам рынка бытовой электроники и растущим продажам электромобилей (EV), доходы рынка силовых радиочастотных полупроводников увеличиваются, и, скорее всего, они будут увеличиваться впечатляющими среднегодовыми темпами роста в 12% до 2027 года.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
10 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *