- GaN emerge como una elección de material para semiconductores de potencia de RF
- Desafíos potenciales que limitan la expansión del semiconductor de potencia de RF en vehículos eléctricos y vehículos eléctricos
- Los desafíos del empaque están captando la atención
- Mejor futuro para el GBM - ¿Hay alguno?
- Lo que hacen los gigantes de la industria
- La demanda de semiconductores de potencia de RF aumentará en la región de Asia Pacífico
Aunque el número cada vez mayor de implementaciones de 5G y las crecientes ventas de dispositivos electrónicos de consumo crearán predominantemente un entorno favorable para el crecimiento de la demanda de semiconductores de potencia de RF, la industria automotriz también permanece entre las áreas clave de consumo de módulos de potencia de RF.
Actualmente, la industria automotriz está experimentando una dinámica revolución eléctrica y digital. Un número creciente de vehículos están sujetos a electrificación, autonomía y listos para la conectividad. Todo se reduce a la creciente importancia de la eficiencia energética y acelerará la transformación de la industria automotriz por múltiples. Sin embargo, un aspecto importante que seguirá siendo crucial para lograr esta transformación es el semiconductor de potencia de RF, ya que ha desempeñado un papel fundamental en la habilitación de vehículos eléctricos y vehículos eléctricos híbridos (HEV).
Al participar en el cambio de "emisión cero" de la industria, los principales fabricantes de automóviles del mundo han realizado esfuerzos notables para impulsar sus proyectos de electrificación de vehículos. Las proyecciones impulsadas por la investigación indican que la mayoría de los fabricantes de equipos originales (OEM) están mirando de manera prominente los objetivos de los vehículos eléctricos y vehículos eléctricos, que se cumplirán en 2025. Este escenario claramente indica las oportunidades significativas para semiconductores de potencia de RF altamente eficientes que funcionarían eficazmente a temperaturas elevadas. Los fabricantes de módulos de potencia de RF centran constantemente sus estrategias en el desarrollo de productos basados en tecnologías de SiC (carburo de silicio), GaN (nitruro de galio) y WBG (banda ancha).
GaN emerge como una elección de material para semiconductores de potencia de RF
A pesar de una serie de esfuerzos de I + D que prevalecen en el ámbito de los semiconductores de WBG, la variante de SiC se ha mantenido como la opción tradicional para los vehículos eléctricos y vehículos eléctricos, en el pasado reciente. Sin embargo, por otro lado, el SiC ya ha llegado a la etapa de madurez en el mercado y está siendo desafiado por otras tecnologías de la competencia que le están ganando terreno, particularmente en el caso de la electrónica de potencia y otras aplicaciones exigentes en vehículos eléctricos e híbridos.
Mientras que los vehículos eléctricos y vehículos eléctricos suelen utilizar semiconductores de potencia de RF basados en SiC para la regulación de los convertidores CC / CC en el tren de potencia, el tiempo de transición tiende a restringir sus frecuencias de conmutación entre 10 kHz y 100 kHz. Actualmente, casi todos los fabricantes de automóviles del mundo se esfuerzan en innovar en torno a los diseños de semiconductores de potencia de RF de GaN.
La introducción del semiconductor de GaN prometía superar potencialmente este desafío de larga data al permitir el tiempo de conmutación dentro del rango de nanosegundos y el funcionamiento a temperaturas de hasta 200 ° C. La funcionalidad más rápida del semiconductor de GaN da como resultado una alta frecuencia de conmutación y, por lo tanto, una baja pérdida de conmutación. Además, el volumen de la electrónica de potencia más baja se traduce en un peso total reducido, lo que posteriormente contribuye a una economía más ligera y eficiente.
Varios estudios abogan por el potencial de facto de los semiconductores basados en GaN para la conversión de alta potencia a alta velocidad. Pasar a una nueva era de electrónica de potencia que complementaría mejor el objetivo de los vehículos eléctricos y los HEV, atributos clave de los materiales semiconductores de GaN, como una velocidad de conmutación superior, altas temperaturas de funcionamiento, menores pérdidas de conmutación y conductividad, envases de tamaño compacto y costo potencial. competitividad, continuará colocando los semiconductores de RF basados en GaN por encima de todas las demás contrapartes.
Desafíos potenciales que limitan la expansión del semiconductor de potencia de RF en vehículos eléctricos y vehículos eléctricos
A pesar de todas las innovaciones y los resultados positivos que ingresan a los mercados, aún quedan algunos desafíos como barreras para la funcionalidad de los semiconductores de potencia de RF en los vehículos eléctricos. Después de todo, conducir un componente de alta potencia en nanosegundos es una tarea compleja y conlleva múltiples dificultades que aún no se han resuelto. Uno de los desafíos más importantes es la mejora de las clasificaciones de voltaje. Mejorar la operatividad eficiente a temperaturas más altas sin alterar los diseños convencionales es otro desafío importante que continúa capturando los intereses de I + D en el espacio de los semiconductores de RF.
El hecho destaca repetidamente que las aplicaciones de los módulos electrónicos de potencia en vehículos eléctricos y vehículos eléctricos eléctricos son muy exigentes y su rendimiento se basa no solo en innovaciones basadas en el voltaje y el rendimiento. Un impulso constante en términos de mejoras en la tecnología estructural y de diseño garantiza la resistencia, confiabilidad y resistencia térmica de los dispositivos de RF dentro de los vehículos eléctricos híbridos y puros / con batería.
Los desafíos del empaque están captando la atención
Si bien la distorsión de las partes electrónicas circundantes ha sido otro factor que desafía la idoneidad de los dispositivos semiconductores de RF dentro de los diseños de vehículos eléctricos, el empaque de semiconductores EMC (compuesto de moldeo epoxi) se ha convertido en un área de investigación muy lucrativa, ya que permite la operación sin perturbar los componentes electrónicos vecinos.
Además, aunque los módulos de potencia de RF sobremoldeados ya se perciben como la corriente principal del futuro cercano, los diseños todavía tienen un margen de mejora en términos de gestión térmica. Las empresas líderes en el panorama de los semiconductores de RF están enfatizando así la ampliación de sus esfuerzos relacionados con el empaque para lograr una mayor confiabilidad para su uso en vehículos eléctricos.
Mejor futuro para el GBM - ¿Hay alguno?
Sin embargo, en el contexto de la madurez de SiC y la superioridad probada de GaN, el mercado no logra resolver las preocupaciones de confiabilidad asociadas con WBG, que eventualmente está limitando la penetración de mercado de los semiconductores WBG tipo FR a largo plazo. La única forma de lograr la ingeniería de semiconductores de tipo WBG más robustos radica en una comprensión más profunda de sus mecanismos de falla en condiciones operativas difíciles. Los expertos también opinan que el GBM podría alcanzar la madurez en el mercado sin ningún apoyo estratégico concreto que restablezca su confiabilidad para una mayor utilización.
Lo que hacen los gigantes de la industria
Wolfspeed, la empresa Cree Inc. con sede en EE. UU. Especializada en productos de potencia premium de SiC y GaN RF, lanzó recientemente un nuevo producto que reduce en más del 75% las pérdidas del inversor de la transmisión EV. Con una eficiencia tan mejorada, es probable que los ingenieros descubran nuevos parámetros para innovar en términos de uso de la batería, alcance, diseño, gestión térmica y empaque.
Los circuitos de alto voltaje de los inversores en vehículos eléctricos e híbridos generan mucho calor y este problema debe abordarse con un mecanismo de enfriamiento eficiente. Las investigaciones han recomendado una y otra vez que la reducción del tamaño y el peso de los inversores es la clave para lograr una mejor refrigeración de los componentes automotrices en vehículos eléctricos y vehículos eléctricos.
En una línea similar, la mayoría de los líderes en la industria (Hitachi, Ltd., por ejemplo) permanecen enfocados en la masa y el tamaño del inversor con la ayuda de una tecnología de enfriamiento doble que usa líquido o aire para enfriar directamente el alto nivel deseado módulo de potencia de RF de voltaje. Dicho mecanismo también permite aumentar la compacidad y flexibilidad del diseño general y, por lo tanto, los esfuerzos para reducir las pérdidas de generación de energía.
Esperando la importancia de un diseño compacto para aumentar la aplicabilidad del semiconductor de potencia de RF en vehículos eléctricos, el inversor de SiC ultracompacto de Mitsubishi surge como un pionero. Mitsubishi Electric Corporation ha desarrollado particularmente este producto de energía de RF ultracompacto para vehículos eléctricos híbridos y afirma que es el dispositivo de SiC más pequeño del mundo de su tipo. El volumen reducido de embalaje de este dispositivo consume mucho menos espacio en el interior del vehículo y, por lo tanto, respalda una mayor eficiencia energética y de combustible. Se anticipa la comercialización del dispositivo en los próximos años. Con el apoyo parcial de la Organización de Desarrollo de Tecnología Industrial y Nuevas Energías (NEDO, Japón), la compañía también comenzará pronto con la producción en masa del inversor de SiC ultracompacto.
El año pasado, se lanzó la primera unidad de control programable de campo (FPCU) revolucionaria de la industria como una arquitectura de semiconductores novedosa que puede ser potencialmente responsable de aumentar el alcance y el rendimiento de los vehículos eléctricos e híbridos. Este dispositivo semiconductor de RF está diseñado por Silicon Mobility, con sede en Francia, con el objetivo de permitir que las tecnologías EV y HEV existentes alcancen su máximo potencial. El socio de fabricación de Silicon Mobility en el desarrollo de FPCU es el fabricante de semiconductores con sede en Estados Unidos: GlobalFoundries.
La demanda de semiconductores de potencia de RF aumentará en la región de Asia Pacífico
A medida que el mundo está cambiando rápidamente a fuentes de energía bajas en carbono para lograr un transporte energéticamente eficiente, la presión de minimizar la huella de carbono en los vehículos energéticamente eficientes en un edificio. Incluso si la producción en masa se inició hace apenas una década, el mercado de vehículos eléctricos ya está superando al mercado de vehículos convencionales que funcionan con ICE (motor de combustión interna). La tasa de expansión de la primera es casi 10 veces más que según los informes de la tarde y hacia el final de 2040, más de 1/3 rd del total de ventas de vehículos nuevos se representó por los vehículos eléctricos.
Los últimos datos de la Asociación de Fabricantes de Automóviles de China implican que más de medio millón de vehículos eléctricos se vendieron solo en China, en el año 2016, que incluía principalmente vehículos comerciales y autobuses. Si bien China seguirá siendo el mercado más grande de vehículos eléctricos a largo plazo, la tasa de producción de vehículos eléctricos ha sido constante en toda la región de Asia Pacífico.
Además de la industria de la electrónica de consumo significativamente floreciente, la región ha sido testigo de un crecimiento considerable del mercado de vehículos eléctricos, recientemente, creando así una gran oportunidad para la penetración de semiconductores de potencia de RF, preferiblemente basados en GaN.
La valoración global del mercado de semiconductores de potencia de RF es de aproximadamente 12.000 millones de dólares estadounidenses (a finales de 2018). Con oportunidades innovadoras que surgen del inicio de la tecnología 5G, la adopción extensa de infraestructura de red inalámbrica y tecnología IIoT (Internet industrial de las cosas), una perspectiva próspera del panorama de la electrónica de consumo y el crecimiento de las ventas de vehículos eléctricos (EV), los ingresos del mercado de semiconductores de potencia de RF es probable que se expandan a una impresionante tasa de crecimiento anual compuesta del 12% hasta 2027.
Aditi Yadwadkar es un escritor experimentado en investigación de mercado y ha escrito extensamente sobre la industria de la electrónica y los semiconductores. En Future Market Insights (FMI), trabaja en estrecha colaboración con el equipo de investigación de Electrónica y Semiconductores para atender las necesidades de clientes de todo el mundo. Estos conocimientos se basan en un estudio reciente sobre el mercado de semiconductores de potencia de RF realizado por FMI.