功率器件市場(chǎng)為什么這么火爆？

電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和可再生能源的日益普及使功率半導體器件成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。這些功率器件對于確定各種系統（從小型家用電子產(chǎn)品到外太空使用的設備）的效率始終至關(guān)重要。但隨著(zhù)減少碳排放的呼聲越來(lái)越高，這些芯片的市場(chǎng)繼續蓬勃發(fā)展——根據 Mordor Intelligence 的數據，功率 IC 市場(chǎng)將從今年的 418.1 億美元增長(cháng)到 2028 年的 492.3 億美元。

移動(dòng)應用的爆炸式增長(cháng)以及電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源和云計算市場(chǎng)的增長(cháng)正在推動(dòng)對更復雜、更高效的 SoC 和系統的需求。這反過(guò)來(lái)又推動(dòng)了對功率器件提高效率和功率密度的需求。

人們正在采用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 材料來(lái)應對這一挑戰，提供具有更高功率密度的更高效器件，但設計復雜性也有所增加。

新材料以更小的外形尺寸帶來(lái)更高的效率

功率半導體開(kāi)關(guān)和控制機制將電力從一種形式傳輸到另一種形式，為終端系統提供調節和控制的電力。傳統上，功率器件是采用金屬氧化物半導體（MOS）技術(shù)開(kāi)發(fā)的。例如，功率 MOSFET（或 MOS 場(chǎng)效應晶體管）控制電路中的高電流或功率，并且通常作為分立元件出現在開(kāi)關(guān)電源和電機控制器中。電源管理 IC (PMIC) 可以嵌入標準硅芯片或用作獨立設備，執行直流到直流轉換、電池充電和電壓調節等功能。PMIC 是一個(gè)基于 MOS 的市場(chǎng)。

然而，SiC 和 GaN 由于電阻率較低、能夠在更高的溫度下工作并使用更高的開(kāi)關(guān)頻率而被采用。兩種材料都提供更高的效率和功率密度。SiC 越來(lái)越受到電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)注，并且正在探索用于更大的運輸系統，例如火車(chē)、卡車(chē)、飛機和船只。到本世紀末，SiC 預計將成為功率器件的領(lǐng)先材料。筆記本電腦充電器也正在從 MOS 轉向 GaN，因為電源可以更小、更高效、可靠性更高。

此外不同類(lèi)型的功率半導體分立器件和模塊，在汽車(chē)上都能找到應用的落腳點(diǎn)。車(chē)載功率半導體種類(lèi)多，在做選型時(shí)，成本和效率是最關(guān)鍵的兩大要素。首先需要考慮需要多大功率，再去匹配多大的電壓和電流，再結合系統效率和成本最終設計出一套最優(yōu)方案。功率半導體分立器件和模塊根據在車(chē)上不同的系統應用，則選用不同規格的器件。由此可見(jiàn)，功率半導體在電動(dòng)汽車(chē)上應用場(chǎng)景非常廣泛。不同種類(lèi)，不同規格的產(chǎn)品都能匹配到不同的系統應用。

為了優(yōu)化功率，效率最關(guān)鍵的方面是導通電阻。電阻會(huì )產(chǎn)生熱量，代表功率損耗。當晶體管導通時(shí)，從輸入到輸出的電阻是多少？與 MOS 相比，SiC 和 GaN 的電阻都較低，這使得它們對于提高系統效率具有吸引力。

為了實(shí)現更高效的器件，無(wú)論是 MOS、SiC 還是 GaN，都需要更大的設計來(lái)降低導通電阻。這反過(guò)來(lái)又帶來(lái)了確保設備均勻開(kāi)啟的設計挑戰。如果器件的某個(gè)部分開(kāi)啟時(shí)間較長(cháng)，則總電流流經(jīng)開(kāi)啟的部分，導致電流密度高于預期并影響可靠性。

由于功率器件的布線(xiàn)復雜，現場(chǎng)出現了許多專(zhuān)門(mén)的工具來(lái)準確分析效率和可靠性。然而，隨著(zhù)設計規模的增長(cháng)，許多工具缺乏所需的能力。此外，為了提供完整的分析，包括軟件包的影響也很重要。

顯然，由于持續的競爭壓力和積極的上市時(shí)間目標，需要一種更有效的方法來(lái)創(chuàng )建許多應用所需的可靠、持久的功率器件。

功率器件優(yōu)化解決方案

自動(dòng)化優(yōu)化功率器件流程的解決方案將在縮短周轉時(shí)間、同時(shí)實(shí)現質(zhì)量目標方面大有幫助。Synopsys Power Device WorkBench 就是這樣一種解決方案。Power Device WorkBench 旨在優(yōu)化功率晶體管，通過(guò)仔細分析和模擬復雜金屬互連內的電阻和電流來(lái)提高效率和可靠性。工程師可以?xún)?yōu)化其設計參數，包括面積、可靠性、時(shí)序和溫度。該解決方案采用高吞吐量仿真引擎，可以自動(dòng)糾正電遷移違規，并確定在何處改進(jìn)設計布局，以提高效率和時(shí)序。

難怪電力電子市場(chǎng)現在如此火爆。功率器件在許多領(lǐng)域都是必不可少的。我們日常使用的一系列電池供電設備是其增長(cháng)的關(guān)鍵驅動(dòng)力，汽車(chē)電氣化和可再生能源的蓬勃發(fā)展趨勢也是如此。然而，隨著(zhù)工程師努力將更多功能集成到單芯片中，同時(shí)滿(mǎn)足高效性能和小尺寸的需求，設備本身變得越來(lái)越復雜。Power Device WorkBench 等完整的電源優(yōu)化解決方案可以解決這些挑戰，以及有助于提高這些設備效率的新材料帶來(lái)的挑戰。