การพัฒนานวัตกรรมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังเป็นเทคโนโลยีหลักในอนาคตเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบตลอดจนประสิทธิภาพในการใช้งานยานยนต์และการประหยัดพลังงาน ซิลิคอนเป็นวัสดุหลักสำหรับสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์มานานหลายทศวรรษ กระบวนการผลิตขั้นสูงและการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนได้ปรับประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซิลิกอนให้เกือบถึงขีดจำกัดทางทฤษฎี ดังนั้น ในการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ จำเป็นต้องสำรวจวัสดุใหม่ที่แสดงคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีนอกเหนือจากซิลิกอน เซมิคอนดักเตอร์แบบ bandgap แบบกว้างจำนวนหนึ่ง เช่น ซิลิกอนคาร์ไบด์ แกลเลียมไนไตรด์ แกลเลียมออกไซด์ และเพชร มีลักษณะเด่นที่โดดเด่นซึ่งอาจเป็นการปูทางไปสู่ระดับประสิทธิภาพใหม่
Sheeba Chauhan ผู้สื่อข่าวของ ELE Times ให้สัมภาษณ์พิเศษกับ Stefan Obersriebnig หัวหน้าสายผลิตภัณฑ์ระดับสูง แรงดันไฟฟ้า การแปลงพลังของ Infineon & เซ็นเซอร์ แผนกระบบ และสตีฟ โรเบิร์ตส์ ผู้จัดการฝ่ายนวัตกรรมของ RECOM Power ปฏิสัมพันธ์นี้ครอบคลุมส่วนใหญ่เกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังใน สารกึ่งตัวนำ และเทคโนโลยีที่สำคัญบางอย่างในอนาคต
โครงการริเริ่ม Smart Power ใหม่ที่ใช้ GaN เทคโนโลยี
การพูดของ Stefan Obsersriebnig หัวหน้าสายผลิตภัณฑ์ของ Infineon กล่าวว่า GaN นำเสนอความเป็นไปได้ทางเทคโนโลยีในการรวมส่วนประกอบไฟฟ้าแรงสูงเช่น HEMT แบบปกติและอุปกรณ์ต่อพ่วงแรงดันต่ำ เช่น ตัวขับเกท การเลื่อนระดับ วงจรรับรู้กระแสและแรงดันไฟฟ้าเข้าไว้ด้วยกัน ตายด้วยกรรมวิธีการผลิตแบบเดียวกัน ซึ่งช่วยให้สร้างอุปกรณ์ที่มีการบูรณาการสูงและให้วงจรที่จำเป็นทั้งหมดภายในแพ็คเกจเดียวสำหรับความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดและใช้งานง่ายด้วยพฤติกรรม "ดิจิตอลเข้า, กำลังไฟออก"
ในขณะที่ Steve Roberts ผู้จัดการด้านนวัตกรรมของ RECOM Power ตอบกลับ Smart Power สามารถอ้างถึงวิธีการจัดการทรัพยากรที่มีอยู่อย่างชาญฉลาดเพื่อหลีกเลี่ยงความยากจนด้านพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่ชนบท คำนี้ยังใช้เพื่ออธิบายการจัดการการจ่ายพลังงานในเมืองใหญ่และโรงงานขนาดใหญ่เพื่อหลีกเลี่ยงการหยุดชะงักของกริดและการโอเวอร์โหลด ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด การสร้างสมดุลของทรัพยากรพลังงานที่จำกัดนั้นต้องการพลังงานหมุนเวียนอย่างมีประสิทธิภาพ เทคโนโลยี GaN มีความสำคัญต่อแนวคิดนี้ เนื่องจากช่วยให้สามารถผลิตแหล่งจ่ายไฟได้อย่างมีประสิทธิภาพใกล้ถึง 99%
เทคโนโลยี SiC และ GaN ขับเคลื่อนนวัตกรรมและประสิทธิภาพในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังในอนาคต
Stefan Obsersriebnig ตอบว่า SiC และ GaN เป็นสารกึ่งตัวนำแบบ Wide-bandgap ที่เปิดใช้งานสนามไฟฟ้าที่สูงขึ้นในอุปกรณ์ และทำให้ชั้นบางลงด้วยยาสลบที่สูงขึ้นสำหรับการปิดกั้นแรงดันไฟฟ้า ซึ่งจะช่วยลดพื้นที่ที่จำเป็นสำหรับการต้านทานต่อที่กำหนด ซึ่งจะลดความจุของกาฝาก เป็นผลให้ SiC และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง GaN สามารถทำงานได้ที่ความถี่สวิตชิ่งที่สูงกว่า Si คู่หูของพวกเขา สิ่งนี้นำไปสู่ส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่มีขนาดเล็กลงและความหนาแน่นพลังงานที่สูงขึ้นของระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง นอกจากนี้ เนื่องจากใน SiC และ GaN ไม่มีผู้ให้บริการรายย่อยที่เกี่ยวข้องกับเฟสการนำไฟฟ้า อุปกรณ์เหล่านี้จึงสามารถฮาร์ดสวิตช์ได้ ซึ่งหมายความว่ารูปแบบการควบคุมใหม่จะเป็นไปได้ ตัวอย่างเช่น ใช้การสลับฮาร์ดและซอฟต์ผสมกันระหว่างโหลดและ/หรือช่วงแรงดันอินพุตและเอาต์พุต สิ่งนี้ให้องศาอิสระใหม่สำหรับนักออกแบบระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังและประสิทธิภาพที่สูงขึ้นโดยการเลือกรูปแบบการปรับที่เหมาะสมที่สุดสำหรับจุดปฏิบัติการแต่ละจุด
ดังนั้นในการเปิด (ปรับปรุง) GaN HEMT พื้นที่การพร่องจะต้อง "ยกเลิก" โดยการใช้แรงดันไฟฟ้าเล็กน้อยกับเกต ยกเลิกการปิดกั้นการเชื่อมต่อระหว่างแหล่งจ่ายและท่อระบายน้ำ สิ่งนี้เกิดขึ้นเร็วมากทำให้ความเร็วการสลับจาก 100 kHz ถึงภูมิภาค MHz เกิดขึ้นได้อย่างง่ายดาย
สำหรับการใช้งานทางทหารหรืออวกาศ RadHard โดยธรรมชาติสามารถทนต่อความสามารถของ GaN ด้านข้างเหนือโครงสร้าง Si/SiC ในแนวตั้งก็เป็นปัจจัยดึงที่สำคัญเช่นกัน
ทรานซิสเตอร์ SiC นั้นคล้ายกับ Si- ทั่วไปมอสเฟตแต่ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์แทนสารตั้งต้นซิลิกอน SiC มีแรงดันพังทลายที่สูงกว่ามาก ดังนั้นแต่ละชั้นจึงบางลงได้ ลดความจุของสวิตชิ่ง และเพิ่มความสามารถในการจัดการกระแสไฟ ดังนั้น SiC-MOSFET สวิตช์เร็วขึ้นและมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า Si-MOSFET ทรานซิสเตอร์.
เซมิคอนดักเตอร์ bandgap กว้างแค่ไหนกำหนดอนาคตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง?
Stefan Obsersriebnig ตอบว่าเซมิคอนดักเตอร์แบบ bandgap แบบกว้างช่วยให้สามารถทำลายอุปสรรคด้านประสิทธิภาพของระบบ Si ที่มีอยู่ได้ ประสิทธิภาพและความหนาแน่นของพลังงานถูกผลักดันไปสู่ระดับใหม่ และยังเปิดใช้งานแอปพลิเคชันใหม่อีกด้วย สิ่งเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการทำให้เป็นไฟฟ้าและขจัดคาร์บอนไดออกไซด์ในชีวิตของเรา เนื่องจากไม่เพียงใช้พลังงานน้อยลงในระหว่างกระบวนการแปลงเท่านั้น แต่ยังสามารถประมวลผลระดับพลังงานที่สูงขึ้นได้ในพื้นที่น้อยลง โดยสรุป อนาคตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังถูกกำหนดโดยเซมิคอนดักเตอร์แบบ Wide-bandgap อย่างมาก เนื่องจากพวกเขาได้เปิดเวกเตอร์การวิจัยใหม่ในโทโพโลยีขั้นสูง แผนการมอดูเลตและการควบคุม แนวคิดการผสานรวม วิธีการกรอง และอื่นๆ
สารกึ่งตัวนำ โซลูชันจาก Infineon รองรับการไหลที่เสถียรและมีประสิทธิภาพพร้อมการสูญเสียที่ลดลง จึงเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดตลอดห่วงโซ่พลังงาน ทั้งหมดนี้อยู่ในมาตรฐานคุณภาพสูงเพื่อความน่าเชื่อถือสูงสุดและความยั่งยืนที่ดีขึ้น
โซลูชั่นด้านพลังงานล่าสุดสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและยานยนต์
Stefan Obsersriebnig ตอบว่า Infineon ซึ่งเป็นโดเมนอุตสาหกรรมได้เปิดตัวซิลิคอนรุ่นใหม่ออกสู่ตลาดเมื่อเร็ว ๆ นี้ เช่น IGBT7 หรือ CoolMOS 7 มีการเพิ่มแพลตฟอร์มแพ็คเกจใหม่ เช่น EASY 3B ซึ่งขยายขอบเขตสำหรับโมดูลพลังงานแบบฝัง PCB ที่ไม่ใช้แผ่นฐาน นอกจากนี้ ยังมีการเปิดตัวแพ็คเกจพลังงานอย่าง QDPAK เพื่อกำหนดแนวโน้มของการระบายความร้อนจากด้านบน ถัดจากข้อเสนอ Si ของเรา bandgap ที่กว้างก็เติบโตขึ้นอย่างมาก ตามตัวอย่างหนึ่ง มีการเปิดตัวการผสมผสานอัจฉริยะของชิปซิลิคอนและซิลิคอนคาร์ไบด์ โดยนำเสนอโซลูชันประสิทธิภาพเตียงเด็กที่เหมาะสมที่สุดแก่ลูกค้า เช่น ในโทโพโลยี ANPC นอกจากนี้ Infineon ยังได้เปิดตัวอุปกรณ์แยก CoolSiC 650 V ที่หลากหลาย นอกจากนี้ กลุ่มผลิตภัณฑ์ CoolGaN 600 V ที่น่าสนใจยังตอบโจทย์การใช้งานและลูกค้าที่ต้องการประสิทธิภาพที่เหนือกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อรวมกับความหนาแน่นของพลังงานขั้นสูงสุด
WBG ในการใช้งานด้านยานยนต์ก็อยู่ในจุดสนใจของ Infineon เช่นกัน ในงานแสดงสินค้า PCIM เสมือนจริงประจำปีนี้ Infineon ยังได้นำเสนอ HybridPACK Drive CoolSiC ใหม่ ซึ่งเป็นระบบบริดจ์เต็มรูปแบบ โมดูล ด้วยแรงดันไฟฟ้าบล็อค 1200 V ที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับอินเวอร์เตอร์แบบฉุดลากในยานพาหนะไฟฟ้า โมดูลจ่ายไฟนี้ใช้เทคโนโลยี MOSFET ร่องลึก CoolSiC ในรถยนต์เพื่อความหนาแน่นของพลังงานสูงและการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่าในอินเวอร์เตอร์ที่มีช่วงสัญญาณไกลกว่าและต้นทุนแบตเตอรี่ที่ต่ำกว่า โดยเฉพาะสำหรับรถยนต์ที่มีระบบแบตเตอรี่ 800 V และความจุของแบตเตอรี่ที่ใหญ่กว่า นอกจากนี้ โซลูชันเซมิคอนดักเตอร์กำลังและไอซีควบคุมอัจฉริยะของเรายังช่วยให้เพิ่มประสิทธิภาพได้หลายเป้าหมายเพื่อลดต้นทุนของระบบ เพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน ประสิทธิภาพการใช้งานที่สูงขึ้น และระบบโมดูลาร์ ซึ่งรองรับโทโพโลยีที่คุณต้องการ เซมิคอนดักเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ผลิตโดย Infineon สามารถมีบทบาทสำคัญในการสร้างประสิทธิภาพการใช้พลังงานในทุกขั้นตอนของห่วงโซ่อุปทานพลังงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในรถยนต์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้า
ด้วยการลดการสูญเสียพลังงานและการประหยัดพลังงานสูงสุด สิ่งเหล่านี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้า เทคโนโลยีหลักในวงกว้างของเรา รวมถึง Si-based เช่น IGBT และ SJ MOSFETs กำลังจัดการกับกลุ่มต้นทุนที่มีประสิทธิภาพ โดยที่โซลูชัน WBG ที่ใช้ SiC ในปัจจุบันและ GaN ในอนาคตจะเปิดใช้งานการเพิ่มประสิทธิภาพที่มีประสิทธิภาพสูงที่ฝั่งลูกค้า
Steve Roberts กล่าวว่าในระยะยาว เทคโนโลยี GaN จะลดขนาดแหล่งจ่ายไฟ AC ลงอย่างมาก มีการพัฒนาความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าที่ 40W/in² อยู่แล้ว ซึ่งเป็นสองเท่าหรือสามเท่าของความหนาแน่นพลังงานของเทคโนโลยีที่ใช้ Si แบบเดิม ซึ่งหมายความว่าลูกค้าอุตสาหกรรมและการแพทย์สามารถคาดหวังอุปกรณ์จ่ายไฟ AC/DC รุ่นใหม่ที่พอดีกับตัวเครื่องที่มีขนาดเล็กกว่ามากและมีการสร้างความร้อนน้อยที่สุด เนื่องจาก GaN เหมาะอย่างยิ่งสำหรับโครงสร้าง EMI ต่ำ เรโซแนนท์ที่มีประสิทธิภาพสูง หรือโครงสร้าง fly back แบบแอคทีฟแคลมป์ อุปกรณ์จ่ายไฟขนาดใหญ่จำนวนมากจะถูกแทนที่ด้วยการออกแบบใหม่ที่โฉบเฉี่ยว ซึ่งหมายความว่าผลิตภัณฑ์ในอนาคตจะได้รับการออกแบบในส่วนต่อประสานผู้ใช้มากกว่ารอบๆ แหล่งจ่ายไฟขนาดใหญ่
ตัวอย่างเช่น ผลิตภัณฑ์ AC/DC รุ่นใหม่ที่ใช้ GaN ของ RECOM จะนำเสนอแหล่งจ่ายไฟ AC/DC 60W ที่มีขนาด 3”x1.6” แทนมาตรฐานอุตสาหกรรม 4” x 2” ซึ่งลดลง 40% ขนาดสำหรับเอาต์พุตกำลังเท่ากัน
โซลูชันพลังงาน SiC & GaN ที่เป็นนวัตกรรมล่าสุดที่ทำให้ระบบอุตสาหกรรมและยานยนต์ฉลาดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น
Stefan Obsersriebnig ตอบว่าการทำให้ชีวิตง่ายขึ้น ปลอดภัยขึ้น และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้นคือภารกิจของ Infineon ผลิตภัณฑ์ของเราได้รับการพัฒนาเพื่อรองรับอนาคตที่ยั่งยืนมากขึ้น เราได้เพิ่มผลิตภัณฑ์แยกชิ้นที่ใช้ SMD ใหม่ซึ่งให้การยึดเกาะที่เหนือกว่าและความเสถียรในการหมุนเวียนของความร้อน โมดูลที่ใช้ AlN ใหม่เปิดตัวพร้อมกับ SiC อุปกรณ์ 650V เสริมด้วยข้อเสนอ CoolMOS SiC IPM 1200V ตัวแรกของโลกก็เปิดตัวเช่นกัน โลกยานยนต์กำลังพัฒนาอย่างไม่เคยปรากฏมาก่อน
ที่ Infineon เรามองย้อนกลับไปถึง 40 ปีแห่งความสำเร็จและความเชี่ยวชาญที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในการจัดหาเซมิคอนดักเตอร์คุณภาพสูงให้กับระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ ความเชื่อหลักประการหนึ่งคือการทำให้รถยนต์เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ดังนั้น Infineon จึงลงทุนอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยีเพื่อให้การเปลี่ยนไปใช้รถยนต์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้าได้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้น โซลูชันที่ใช้ Infineon WBG ช่วยให้ลดขนาดระบบได้มากถึง 80% ด้วยความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น ใช้ความเย็นน้อยลง และส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่น้อยลง ลูกค้าของเราสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพการแปลงพลังงานได้ ทิศทางการปรับให้เหมาะสมทั้งสองเป็นกุญแจสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกลุ่มยานยนต์ไฟฟ้า ซึ่งประสิทธิภาพที่สูงขึ้นสามารถขยายระยะการขับขี่และความหนาแน่นของพลังงานทำให้การออกแบบง่ายขึ้น และทำให้สามารถติดตั้งแบตเตอรี่ที่มีความจุสูงขึ้นในตัวถังเดียวกันได้
ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ใช้ SiC สำหรับอินเวอร์เตอร์หลัก xEV และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับการชาร์จ (ตัวแปลง OBC + HV DC-DC) กำลังเร่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกลุ่มรถยนต์ระดับพรีเมียมในวันนี้และยานยนต์ระดับปริมาณในวันพรุ่งนี้ เพื่อเปิดใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานสีเขียว Infineon กำลังลงทุนในกลุ่มผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายของข้อเสนอ SiC – โซลูชันที่ใช้ SiC 750 V และ 1200 V ในกลุ่มยานยนต์ กลุ่มผลิตภัณฑ์ได้รับการขยายโดยผลิตภัณฑ์ที่ใช้ MOSFET และโซลูชั่นไฮบริดเพิ่มเติม GaN อาจเป็นผู้สืบทอดที่มีศักยภาพของ SiC เพื่อให้มีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นในอนาคต ดังนั้น Infineon จะพัฒนาโซลูชันที่ใช้ GaN สำหรับโดเมนยานยนต์ด้วยเช่นกัน
สตีฟ โรเบิร์ตส์ตอบอย่างน่าประหลาดใจว่าทั้งทรานซิสเตอร์ SiC และ GaN นั้นเปลี่ยนได้เร็วกว่า สะอาดกว่า และให้ประสิทธิภาพทางความร้อนโดยรวมที่ดีกว่า IGBT (SiC ผ่านคุณสมบัติทางเคมีของมัน – ซิลิกอนคาร์ไบด์มีการนำความร้อนได้ดีกว่าซิลิคอนประมาณ 3.5 เท่า และ GaN ผ่านการสูญเสียที่ต่ำมากและ SMD ที่มีประสิทธิภาพ บรรจุภัณฑ์) แต่สำหรับการใช้งานจำนวนมาก MOSFET และ IGBT ที่มีจุดเชื่อมต่อแบบซุปเปอร์ยังคงให้ประสิทธิภาพที่ยอมรับได้ในราคาที่ต่ำกว่ามาก ดังนั้น สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่อ่อนไหวต่อราคาหลายอย่าง เทคโนโลยีที่ใช้ซิลิกอนยังคงมีความได้เปรียบเหนือสารเคมีชนิดใหม่ สำหรับตอนนี้อย่างน้อย
นอกจากนี้ เนื่องจากทรานซิสเตอร์ WBG ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา เทคโนโลยี IGBT ที่เติบโตเต็มที่จึงให้แรงดันไฟและกระแสสวิตชิ่งที่สูงกว่าคู่แข่งที่อายุน้อยกว่า:
อย่างไรก็ตาม มีการใช้งานที่สำคัญหลายประการที่ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของ WBG มีความสำคัญ: รถยนต์ไฟฟ้า (EV) ต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้น (ความถี่สวิตชิ่งที่สูงกว่า) และประสิทธิภาพทางความร้อนที่ดีกว่า (การสูญเสียสวิตชิ่งที่ต่ำกว่า) มากกว่าที่มีอยู่จากเทคโนโลยีที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบัน
ประสิทธิภาพโดยรวมของปลั๊กอิน EV ในปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 60% (การแปลงไฟหลักเป็นพลังงานจลน์ของรถยนต์) WBG เสนอโอกาสในการปรับปรุงการควบคุมพลังงานและประสิทธิภาพการชาร์จแบตเตอรี่ เพื่อให้ประสิทธิภาพโดยรวมเพิ่มขึ้นเป็น 72% ซึ่งแสดงถึงช่วงที่มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นมากกว่า 20% โดยไม่ต้องเปลี่ยนเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่มีอยู่ โอกาสของแอปพลิเคชั่น EV ที่มีปริมาณมากนี้น่าสนใจมากสำหรับเทคโนโลยี SiC และ GaN
อย่างไรก็ตาม มีการใช้งานที่สำคัญหลายประการที่ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพของ WBG มีความสำคัญ: รถยนต์ไฟฟ้า (EV) ต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้น (ความถี่สวิตชิ่งที่สูงกว่า) และประสิทธิภาพทางความร้อนที่ดีกว่า (การสูญเสียสวิตชิ่งที่ต่ำกว่า) มากกว่าที่มีอยู่จากเทคโนโลยีที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบัน
ผู้เขียนร่วม:
ชีบา เชาฮัน
-
ชีบา เชาฮันhttps://www.eletimes.com/author/sheebaไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงในอนาคตหรือไม่?
-
ชีบา เชาฮันhttps://www.eletimes.com/author/sheebaรูปแบบของโรงงานของเรา: การผลิตในยุคหลังโรคระบาด