Le rôle de base des semi-conducteurs de puissance RF dans la révolution EV

Bien que le nombre toujours croissant de déploiements de la 5G et l'augmentation des ventes d'appareils électroniques grand public créeront principalement un environnement favorable à la croissance de la demande de semi-conducteurs de puissance RF, l'industrie automobile reste également parmi les principaux domaines de consommation de modules de puissance RF.

Actuellement, l'industrie automobile connaît une révolution électrique et numérique dynamique. Un nombre croissant de véhicules est soumis à l'électrification, à l'autonomie et à la connectivité. Tout cela se résume à l'importance croissante de l'efficacité énergétique et accélérera la transformation de l'industrie automobile de plusieurs manières. Cependant, un aspect important qui restera crucial pour provoquer cette transformation est le semi-conducteur de puissance RF, car il a joué un rôle central dans la mise en œuvre des VE et des VE hybrides (HEV).

Participant au virage «zéro émission» de l'industrie, les principaux constructeurs automobiles mondiaux ont déployé des efforts remarquables pour accélérer leurs projets d'électrification de véhicules. Les projections fondées sur la recherche indiquent que la majorité des équipementiers lorgnent de manière proéminente sur les objectifs des VE et HEV, à atteindre en 2025. Ce scénario met clairement en évidence les opportunités importantes pour des semi-conducteurs de puissance RF hautement efficaces qui fonctionneraient efficacement à des températures élevées. Les fabricants de modules de puissance RF concentrent ainsi constamment leurs stratégies sur le développement de produits basés sur les technologies SiC (carbure de silicium), GaN (nitrure de gallium) et WBG (large bande interdite).

Le GaN émerge comme matériau de choix pour les semi-conducteurs de puissance RF

Malgré un certain nombre d'efforts de R&D qui prévalent dans le domaine des semi-conducteurs WBG, la variante SiC est restée le choix traditionnel pour les VE et HEV, ces derniers temps. Cependant, d'un autre côté, le SiC est déjà arrivé au stade de la maturité du marché et est mis au défi par d'autres technologies concurrentes qui gagnent du terrain - en particulier dans le cas de l'électronique de puissance et d'autres applications exigeantes dans les véhicules électriques et hybrides électriques.

Alors que les EV et HEV utilisent généralement des semi-conducteurs de puissance RF à base de SiC pour la régulation des convertisseurs CC / CC dans le groupe motopropulseur, le temps de transition a tendance à restreindre leurs fréquences de commutation entre 10 kHz et 100 kHz. Actuellement, presque tous les constructeurs automobiles du monde entier déploient des efforts d'innovation autour des conceptions GaN des semi-conducteurs de puissance RF.

L'introduction du semi-conducteur GaN promettait de surmonter ce défi de longue date en permettant un temps de commutation de l'ordre de la nanoseconde et un fonctionnement à des températures aussi élevées que 200 ° C. La fonctionnalité plus rapide du semi-conducteur GaN se traduit par une fréquence de commutation élevée et, par conséquent, une faible perte de commutation. De plus, le volume électronique de puissance inférieure se traduit par un poids total réduit, ce qui favorise par la suite une légèreté et une plus grande économie d'efficacité.

Plusieurs études préconisent de facto le potentiel du semi-conducteur à base de GaN pour une conversion de puissance élevée à grande vitesse. Passer à une nouvelle ère d'électronique de puissance qui compléterait le mieux l'objectif des VE et HEV, les attributs clés des matériaux semi-conducteurs GaN, tels que la vitesse de commutation supérieure, les températures de fonctionnement élevées, les pertes de commutation et de conductivité moindres, les emballages de taille compacte et le coût potentiel compétitivité, continuera à placer les semi-conducteurs RF basés sur GaN sur tous les autres homologues.

Défis potentiels limitant l'expansion des semi-conducteurs de puissance RF dans les VE et les VEH

Malgré toutes les innovations et les résultats positifs qui entrent sur les marchés, quelques défis subsistent en tant que barrières à la fonctionnalité des semi-conducteurs de puissance RF dans les véhicules électriques. Après tout, piloter un composant haute puissance en quelques nanosecondes est une corvée complexe et s'accompagne de multiples difficultés qui n'ont pas encore été résolues. L'un des défis les plus importants est l'amélioration des tensions nominales. Améliorer l'efficacité opérationnelle à des températures plus élevées sans altérer les conceptions conventionnelles est un autre défi important qui continue de capturer les intérêts de R&D dans l'espace des semi-conducteurs RF.

Le fait souligne à plusieurs reprises que les applications des modules électroniques de puissance dans les VE et les VEH sont très exigeantes et que leurs performances ne reposent pas uniquement sur des innovations basées sur la tension et les performances. Une poussée constante en termes d'améliorations de la technologie structurelle et de conception garantit l'endurance, la fiabilité et la résistance thermique des appareils RF dans les véhicules électriques hybrides et purs / à batterie.

Les défis de l'emballage retiennent l'attention

Alors que la distorsion des pièces électroniques environnantes a été un autre facteur contestant l'adéquation des dispositifs semi-conducteurs RF dans les conceptions EV, le conditionnement des semi-conducteurs CEM (composé de moulage époxy) est devenu un domaine de recherche très lucratif, car il permet un fonctionnement sans perturber les composants électroniques voisins.

De plus, bien que les modules de puissance RF surmoulés soient déjà perçus comme le courant dominant du futur proche, les conceptions ont encore une marge d'amélioration en termes de gestion thermique. Les entreprises leaders dans le paysage des semi-conducteurs RF mettent donc l'accent sur l'élargissement de leurs efforts liés à l'emballage pour améliorer la fiabilité de l'utilisation dans les véhicules électriques.

Un meilleur avenir pour le GBM - Y en a-t-il?

Dans le contexte de la maturité du SiC et de la supériorité avérée du GaN, le marché ne parvient cependant pas à résoudre les problèmes de fiabilité associés au WBG, qui limite à terme la pénétration du marché des semi-conducteurs FR de type WBG à long terme. La seule façon de réaliser l'ingénierie de semi-conducteurs de type WBG plus robustes réside dans une compréhension plus approfondie de leurs mécanismes de défaillance dans des conditions de fonctionnement difficiles. Les experts estiment également que le GBM pourrait atteindre sa maturité sur le marché sans aucun soutien stratégique concret qui rétablirait sa fiabilité pour une utilisation ultérieure.

Ce que font les Behemoths de l'industrie

Wolfspeed, la société américaine Cree Inc. spécialisée dans les produits d'alimentation RF SiC et GaN haut de gamme, a récemment lancé un nouveau produit qui permet de réduire de plus de 75% les pertes des onduleurs de la transmission EV. Avec une telle efficacité améliorée, les ingénieurs sont susceptibles de découvrir de nouveaux paramètres pour innover en termes d'utilisation de la batterie, d'autonomie, de conception, de gestion thermique et d'emballage.

Les circuits haute tension des onduleurs des véhicules électriques et hybrides génèrent beaucoup de chaleur et ce problème doit être résolu avec un mécanisme de refroidissement efficace. La recherche a recommandé à maintes reprises que la réduction de la taille et du poids des onduleurs est la clé pour obtenir un refroidissement amélioré des composants automobiles dans les VE et les VEH.

Dans le même ordre d'idées, une majorité de leaders de l'industrie (Hitachi, Ltd., par exemple) restent concentrés sur la masse et la taille de l'onduleur à l'aide d'une technologie de double refroidissement qui utilise soit du liquide, soit de l'air pour refroidir directement le haut module d'alimentation RF de tension. Un tel mécanisme permet également d'ajouter à la compacité et à la flexibilité de la conception globale et, par conséquent, aux efforts de réduction des pertes de production d'énergie.

Dans l'attente de l'importance d'une conception compacte pour augmenter l'applicabilité des semi-conducteurs de puissance RF dans les véhicules électriques, l'onduleur SiC ultra-compact de Mitsubishi apparaît comme un pionnier. Mitsubishi Electric Corporation a particulièrement développé ce produit d'alimentation RF ultra-compact pour les véhicules électriques hybrides et prétend qu'il s'agit du plus petit appareil SiC jamais conçu au monde. Le volume d'emballage réduit de cet appareil consomme beaucoup moins d'espace à l'intérieur du véhicule et sous-tend ainsi une plus grande efficacité énergétique et énergétique. La commercialisation de l'appareil est prévue dans les deux prochaines années. En partie soutenue par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO, Japon), la société commencera également la production en série de l'onduleur SiC ultra-compact, prochainement.

L'année dernière, la première unité de commande programmable de terrain (FPCU) révolutionnaire de l'industrie a été lancée en tant que nouvelle architecture de semi-conducteurs qui peut être potentiellement responsable de l'augmentation de l'autonomie et des performances des véhicules électriques et hybrides électriques. Ce dispositif semi-conducteur RF est conçu par Silicon Mobility, basé en France, avec pour objectif de permettre aux technologies EV et HEV existantes d'atteindre leur potentiel maximum. Le partenaire de fabrication de Silicon Mobility dans le développement de FPCU est le fabricant américain de semi-conducteurs - GlobalFoundries.

La demande de semi-conducteurs de puissance RF augmente dans la région Asie-Pacifique

Alors que le monde passe rapidement à des sources d'énergie à faible émission de carbone pour parvenir à des transports économes en énergie, la pression de la minimisation de l'empreinte carbone sur les véhicules écoénergétiques dans un bâtiment. Même si la production de masse a commencé il y a à peine une dizaine d'années, le marché des VE dépasse déjà le marché des véhicules conventionnels fonctionnant sur ICE (moteur à combustion interne). Le taux d'expansion de l'ancien est apparemment presque 10X celle de la plus tardive et vers la fin de 2040, plus de 1/3 ^e des ventes de véhicules au total seront comptabilisés par les véhicules électriques.

Les dernières données de l'Association chinoise des constructeurs automobiles indiquent que plus d'un demi-million de véhicules électriques ont été vendus rien qu'en Chine, en 2016, ce qui comprenait principalement des véhicules commerciaux et des bus. Alors que la Chine restera le plus grand marché pour les véhicules électriques à long terme, le taux de production de véhicules électriques a été à un niveau constant dans toute la région Asie-Pacifique.

En plus de l'industrie de l'électronique grand public en plein essor, la région a récemment connu une croissance considérable du marché des VE, créant ainsi une forte opportunité pour la pénétration des semi-conducteurs de puissance RF, de préférence basés sur GaN.

L'évaluation mondiale du marché des semi-conducteurs de puissance RF est d'environ 12 milliards de dollars américains (à la fin de 2018). Avec des opportunités de rupture découlant de l'apparition de la technologie 5G, de l'adoption massive de l'infrastructure de réseau sans fil et de la technologie IIoT (Internet des objets industriels), des perspectives prospères du paysage de l'électronique grand public et de la croissance des ventes de véhicules électriques (VE), les revenus du marché des semi-conducteurs de puissance RF sont susceptibles de se développer à un taux de croissance annuel composé impressionnant de 12% jusqu'en 2027.

Aditi Yadwadkar est un rédacteur expérimenté d'études de marché et a beaucoup écrit sur l'industrie de l'électronique et des semi-conducteurs. Chez Future Market Insights (FMI), elle travaille en étroite collaboration avec l'équipe de recherche sur l'électronique et les semi-conducteurs pour répondre aux besoins des clients du monde entier. Ces informations sont basées sur une étude récente sur le marché des semi-conducteurs de puissance RF par FMI.