- GaN als Materialwahl für HF-Leistungshalbleiter
- Mögliche Herausforderungen zur Begrenzung der Ausdehnung von HF-Leistungshalbleitern in Elektrofahrzeugen und HEVs
- Verpackungsherausforderungen ziehen die Aufmerksamkeit auf sich
- Bessere Zukunft für WBG - Gibt es welche?
- Was die Giganten der Branche vorhaben
- Die Nachfrage nach HF-Halbleitern steigt im asiatisch-pazifischen Raum
Obwohl die ständig steigende Anzahl von 5G-Roll-outs und die steigenden Verkäufe von Unterhaltungselektronikgeräten vorwiegend ein günstiges Umfeld für das Wachstum der Nachfrage nach HF-Leistungshalbleitern schaffen, bleibt die Automobilindustrie auch weiterhin einer der wichtigsten Verbraucherbereiche für HF-Leistungsmodule.
Derzeit befindet sich die Automobilindustrie in einer dynamischen elektrischen und digitalen Revolution. Eine wachsende Anzahl von Fahrzeugen unterliegt Elektrifizierung, Autonomie und Konnektivität. Alles läuft auf die zunehmende Bedeutung der Energieeffizienz hinaus und wird die Transformation der Automobilindustrie um ein Vielfaches beschleunigen. Ein wichtiger Aspekt, der für diese Transformation weiterhin von entscheidender Bedeutung sein wird, ist der HF-Leistungshalbleiter, der eine entscheidende Rolle bei der Ermöglichung von Elektrofahrzeugen und Hybrid- Elektrofahrzeugen (HEVs) gespielt hat.
Die weltweit führenden Autohersteller haben an der „emissionsfreien“ Verlagerung der Branche teilgenommen und bemerkenswerte Anstrengungen unternommen, um ihre Projekte zur Elektrifizierung von Fahrzeugen voranzutreiben. Forschungsbasierte Prognosen deuten darauf hin, dass die Mehrheit der OEMs die Ziele für Elektrofahrzeuge und HEVs, die 2025 erreicht werden sollen, im Auge hat. Dieses Szenario zeigt deutlich die erheblichen Möglichkeiten für hocheffiziente HF-Leistungshalbleiter, die bei erhöhten Temperaturen effektiv funktionieren würden. Hersteller von HF-Leistungsmodulen konzentrieren ihre Strategien daher ständig auf die Entwicklung von Produkten, die auf den Technologien SiC (Siliciumcarbid), GaN (Galliumnitrid) und WBG (Wide Band Gap) basieren.
GaN als Materialwahl für HF-Leistungshalbleiter
Trotz einer Reihe von Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen im Bereich der WBG-Halbleiter ist die SiC-Variante in der jüngeren Vergangenheit die traditionelle Wahl für Elektrofahrzeuge und HEVs geblieben. Auf der anderen Seite ist SiC jedoch bereits in der Reifephase des Marktes angekommen und wird von anderen Wettbewerbertechnologien herausgefordert, die an Boden gewinnen - insbesondere bei Leistungselektronik und anderen anspruchsvollen Anwendungen in Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeugen.
Während EVs und HEVs typischerweise SiC-basierte HF-Leistungshalbleiter zur Regelung von DC / DC-Wandlern im Antriebsstrang verwenden, neigt die Übergangszeit dazu, ihre Schaltfrequenzen zwischen 10 kHz und 100 kHz einzuschränken. Derzeit bemüht sich fast jeder Autohersteller auf der ganzen Welt um innovative GaN-Designs von HF-Leistungshalbleitern.
Die Einführung von GaN-Halbleitern versprach, diese langjährige Herausforderung potenziell zu bewältigen, indem Schaltzeiten im Nanosekundenbereich und Betrieb bei Temperaturen von bis zu 200 ° C ermöglicht wurden. Die schnellere Funktionalität des GaN-Halbleiters führt zu einer hohen Schaltfrequenz und damit zu einem geringen Schaltverlust. Darüber hinaus führt das geringere elektronische Leistungsvolumen zu einem verringerten Gesamtgewicht, was anschließend zu einem geringen Gewicht und einer effizienteren Wirtschaftlichkeit führt.
Mehrere Studien befürworten das De-facto-Potenzial von GaN-basierten Halbleitern für die Hochleistungsumwandlung bei hoher Geschwindigkeit. Übergang zu einer neuen Ära der Leistungselektronik, die das Ziel von Elektrofahrzeugen und HEVs am besten ergänzt, Schlüsselmerkmale von GaN-Halbleitermaterialien wie überlegene Schaltgeschwindigkeit, hohe Betriebstemperaturen, geringere Schalt- und Leitfähigkeitsverluste, kompakte Verpackungen und potenzielle Kosten Wettbewerbsfähigkeit, wird weiterhin GaN-basierte HF-Halbleiter gegenüber allen anderen Gegenstücken platzieren.
Mögliche Herausforderungen zur Begrenzung der Ausdehnung von HF-Leistungshalbleitern in Elektrofahrzeugen und HEVs
Trotz aller Innovationen und positiven Ergebnisse auf den Märkten bleiben einige Herausforderungen bestehen, die die Funktionalität von HF-Leistungshalbleitern in Elektrofahrzeugen behindern. Schließlich ist das Ansteuern einer Hochleistungskomponente innerhalb von Nanosekunden eine komplexe Aufgabe und bringt mehrere Schwierigkeiten mit sich, die noch gelöst werden müssen. Eine der größten Herausforderungen ist die Verbesserung der Nennspannung. Die Verbesserung der effizienten Betriebsfähigkeit bei höheren Temperaturen ohne Änderung herkömmlicher Designs ist eine weitere wichtige Herausforderung, die weiterhin die F & E-Interessen im HF-Halbleiterraum erfasst.
Die Tatsache unterstreicht wiederholt, dass Anwendungen von Leistungselektronikmodulen in Elektrofahrzeugen und HEVs sehr anspruchsvoll sind und ihre Leistung nicht nur auf spannungs- und leistungsbasierten Innovationen beruht. Ein ständiger Schub in Bezug auf Verbesserungen der Struktur- und Designtechnologie gewährleistet die Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und den Wärmewiderstand von HF-Geräten in Hybrid- und Rein- / Batterie-Elektrofahrzeugen.
Verpackungsherausforderungen ziehen die Aufmerksamkeit auf sich
Während die Verzerrung der umgebenden elektronischen Teile ein weiterer Faktor war, der die Eignung von HF-Halbleiterbauelementen innerhalb von EV-Konstruktionen in Frage stellte, hat sich die EMC-Halbleiterverpackung (Epoxy Moulding Compound) als äußerst lukratives Forschungsgebiet herausgestellt, da sie den Betrieb ermöglicht, ohne die benachbarten elektronischen Komponenten zu stören.
Obwohl überformte HF-Leistungsmodule bereits als Mainstream der nahen Zukunft angesehen werden, können die Konstruktionen hinsichtlich des Wärmemanagements noch verbessert werden. Führende Unternehmen in der HF-Halbleiterlandschaft legen daher Wert darauf, ihre Anstrengungen im Zusammenhang mit Verpackungen zu erweitern, um eine verbesserte Zuverlässigkeit für den Einsatz in Elektrofahrzeugen zu erreichen.
Bessere Zukunft für WBG - Gibt es welche?
Vor dem Hintergrund der Reife von SiC und der nachgewiesenen Überlegenheit von GaN kann der Markt die mit WBG verbundenen Zuverlässigkeitsbedenken jedoch nicht lösen, was letztendlich die Marktdurchdringung von FR-Halbleitern vom Typ WBG auf lange Sicht einschränkt. Der einzige Weg, um robustere WBG-Halbleiter zu entwickeln, besteht in einem tieferen Verständnis ihrer Ausfallmechanismen unter rauen Betriebsbedingungen. Experten sind auch der Meinung, dass die WBG ohne konkrete strategische Unterstützung, die ihre Zuverlässigkeit für die weitere Nutzung wiederherstellen würde, eine Marktreife erreichen könnte.
Was die Giganten der Branche vorhaben
Wolfspeed, das in den USA ansässige Unternehmen von Cree Inc., das auf Premium-SiC- und GaN-HF-Energieprodukte spezialisiert ist, hat kürzlich ein neues Produkt auf den Markt gebracht, mit dem die Wechselrichterverluste des EV-Antriebsstrangs um mehr als 75% reduziert werden können. Mit dieser verbesserten Effizienz werden Ingenieure wahrscheinlich neue Parameter entdecken, um Innovationen in Bezug auf Batterieverbrauch, Reichweite, Design, Wärmemanagement und Verpackung zu erzielen.
Die Hochspannungsschaltungen von Wechselrichtern in Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeugen erzeugen viel Wärme, und dieses Problem muss mit einem effizienten Kühlmechanismus angegangen werden. Untersuchungen haben immer wieder empfohlen, dass die Reduzierung von Größe und Gewicht von Wechselrichtern der Schlüssel zu einer verbesserten Kühlung der Fahrzeugkomponenten in Elektrofahrzeugen und HEVs ist.
Auf einer ähnlichen Linie konzentriert sich die Mehrheit der Branchenführer (z. B. Hitachi, Ltd.) weiterhin auf die Masse und Größe des Wechselrichters mithilfe einer Doppelkühlungstechnologie, bei der entweder Flüssigkeit oder Luft verwendet werden, um den gewünschten Hochdruck direkt zu kühlen. Spannungs-HF-Leistungsmodul. Ein solcher Mechanismus ermöglicht auch die Kompaktheit und Flexibilität des Gesamtdesigns und damit die Bemühungen zur Reduzierung der Stromerzeugungsverluste.
Mit Blick auf die Bedeutung eines kompakten Designs, um die Anwendbarkeit des HF-Leistungshalbleiters in Elektrofahrzeugen zu verbessern, ist Mitsubishis ultrakompakter SiC-Wechselrichter ein Vorreiter. Die Mitsubishi Electric Corporation hat dieses ultrakompakte HF-Leistungsprodukt speziell für Hybrid-Elektrofahrzeuge entwickelt und behauptet, es sei das kleinste SiC-Gerät seiner Art weltweit. Das reduzierte Verpackungsvolumen dieses Gerätes verbraucht deutlich weniger Platz im Fahrzeuginnenraum und unterstützt damit eine höhere Kraftstoff- und Energieeffizienz. Die Kommerzialisierung des Geräts wird in den nächsten Jahren erwartet. Teilweise unterstützt von der New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japan), wird das Unternehmen in Kürze auch mit der Massenproduktion des ultrakompakten SiC-Wechselrichters beginnen.
Im vergangenen Jahr wurde die erste revolutionäre feldprogrammierbare Steuereinheit (FPCU) der Branche als neuartige Halbleiterarchitektur eingeführt, die möglicherweise für die Steigerung der Reichweite und Leistung von Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeugen verantwortlich sein kann. Dieses HF-Halbleiterbauelement wurde von Silicon Mobility mit Sitz in Frankreich entwickelt, um den vorhandenen EV- und HEV-Technologien zu ermöglichen, ihr maximales Potenzial auszuschöpfen. Der Herstellungspartner von Silicon Mobility bei der Entwicklung von FPCU ist der in den USA ansässige Halbleiterhersteller GlobalFoundries.
Die Nachfrage nach HF-Halbleitern steigt im asiatisch-pazifischen Raum
Da die Welt schnell auf kohlenstoffarme Energiequellen umstellt, um einen energieeffizienten Transport zu erreichen, steigt der Druck, den CO2-Fußabdruck energieeffizienter Fahrzeuge in einem Gebäude zu minimieren. Auch wenn die Massenproduktion erst vor knapp einem Jahrzehnt begonnen hat, übertrifft der Markt für Elektrofahrzeuge bereits den Markt für konventionelle Fahrzeuge, die mit ICE (Verbrennungsmotor) betrieben werden. Die Rate der Expansion der früheren Berichten zufolge ist fast 10fach, dass die später und gegen Ende 2040 mehr als 1/3 rd der gesamten Neuwagenverkäufe wird von EVs berücksichtigt werden.
Nach den neuesten Daten des chinesischen Verbandes der Automobilhersteller wurden im Jahr 2016 allein in China über eine halbe Million Elektrofahrzeuge verkauft, darunter hauptsächlich Nutzfahrzeuge und Busse. Während China langfristig der größte Markt für Elektrofahrzeuge bleiben wird, war die Produktionsrate von Elektrofahrzeugen in der gesamten Region Asien-Pazifik konstant hoch.
Neben der stark florierenden Unterhaltungselektronikindustrie hat die Region in jüngster Zeit ein beträchtliches Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge verzeichnet, wodurch eine starke Chance für die Durchdringung von HF-Leistungshalbleitern geschaffen wurde, die vorzugsweise auf GaN basieren.
Die weltweite Bewertung des HF-Leistungshalbleitermarktes beträgt rund 12 Milliarden US-Dollar (Stand Ende 2018). Mit bahnbrechenden Möglichkeiten, die sich aus dem Einsetzen der 5G-Technologie, der umfassenden Einführung der drahtlosen Netzwerkinfrastruktur und der IIoT-Technologie (Industrial Internet of Things), den prosperierenden Aussichten für die Unterhaltungselektroniklandschaft und den wachsenden Verkäufen von Elektrofahrzeugen (EV) ergeben, sind die Umsätze auf dem HF-Leistungshalbleitermarkt dürften bis 2027 mit einer beeindruckenden durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 12% wachsen.
Aditi Yadwadkar ist ein erfahrener Marktforscher und hat ausführlich über die Elektronik- und Halbleiterindustrie geschrieben. Bei Future Market Insights (FMI) arbeitet sie eng mit dem Forschungsteam für Elektronik und Halbleiter zusammen, um die Bedürfnisse von Kunden aus aller Welt zu erfüllen. Diese Erkenntnisse basieren auf einer aktuellen Studie des FMI zum Markt für HF-Leistungshalbleiter .