- GaN Muncul sebagai Pilihan Material untuk Semikonduktor Daya RF
- Potensi Tantangan yang Membatasi Bentangan Semikonduktor Daya RF di EV & HEV
- Tantangan pengemasan menarik perhatian
- Masa depan yang lebih baik untuk WBG - Apakah ada?
- Apa yang dilakukan Behemoth Industri
- Permintaan Semikonduktor Daya RF Meningkat di Wilayah Asia Pasifik
Meskipun jumlah peluncuran 5G yang terus meningkat dan penjualan perangkat elektronik konsumen yang meningkat sebagian besar akan menciptakan lingkungan yang menguntungkan bagi pertumbuhan permintaan semikonduktor daya RF, industri otomotif juga tetap menjadi salah satu area konsumen utama modul daya RF.
Saat ini, industri otomotif sedang mengalami revolusi listrik dan digital yang dinamis. Sejumlah kendaraan yang melonjak tunduk pada elektrifikasi, otonomi, dan kesiapan konektivitas. Itu semua bermuara pada meningkatnya pentingnya efisiensi energi dan akan mempercepat transformasi industri otomotif secara berlipat ganda. Namun, aspek penting yang tetap krusial untuk mewujudkan transformasi ini, adalah semikonduktor daya RF, karena telah memainkan peran penting dalam mengaktifkan EV dan EV hybrid (HEV).
Berpartisipasi dalam pergeseran “nol emisi” di industri, pembuat mobil terkemuka dunia telah melakukan upaya luar biasa dalam meningkatkan proyek elektrifikasi kendaraan mereka. Proyeksi berbasis penelitian menunjukkan bahwa sebagian besar OEM secara jelas mengincar target untuk EV dan HEV, yang akan dipenuhi pada tahun 2025. Skenario ini dengan jelas menunjukkan peluang signifikan untuk semikonduktor daya RF yang sangat efisien yang akan berfungsi secara efektif pada suhu yang tinggi. Produsen modul daya RF dengan demikian terus memfokuskan strategi mereka pada pengembangan produk berdasarkan teknologi SiC (silikon karbida), GaN (gallium nitride), dan WBG (celah pita lebar).
GaN Muncul sebagai Pilihan Material untuk Semikonduktor Daya RF
Meskipun sejumlah upaya Litbang berlaku di bidang semikonduktor WBG, varian SiC tetap menjadi pilihan tradisional untuk EV dan HEV, selama ini. Namun, di sisi lain, SiC telah sampai pada tahap kedewasaan di pasar dan ditantang oleh teknologi pesaing lain yang sedang menguasainya - terutama dalam hal elektronika daya dan aplikasi lain yang menuntut dalam kendaraan listrik dan hibrida listrik.
Sementara EV dan HEV biasanya menggunakan semikonduktor daya RF berbasis SiC untuk pengaturan konverter DC / DC di powertrain, waktu transisi cenderung membatasi frekuensi switching antara 10 kHz dan 100 kHz. Saat ini, hampir setiap pembuat mobil di seluruh dunia melakukan upaya inovatif seputar desain semikonduktor daya RF GaN.
Pengenalan semikonduktor GaN menjanjikan potensi untuk mengatasi tantangan lama ini dengan mengaktifkan waktu pengalihan dalam kisaran nanodetik dan operasi pada suhu setinggi 200 ° C. Fungsionalitas yang lebih cepat dari semikonduktor GaN menghasilkan frekuensi switching yang tinggi dan dengan demikian kehilangan switching yang rendah. Selain itu, volume elektronik daya yang lebih rendah diterjemahkan menjadi bobot keseluruhan yang berkurang, yang selanjutnya mendukung penghematan yang ringan dan lebih efisien.
Beberapa penelitian menganjurkan potensi de facto dari semikonduktor berbasis GaN untuk konversi daya tinggi dengan kecepatan tinggi. Beralih ke era baru elektronika daya yang paling melengkapi tujuan EV dan HEV, atribut utama bahan semikonduktor GaN, seperti kecepatan switching yang superior, suhu pengoperasian yang tinggi, kehilangan switching dan konduktivitas yang lebih rendah, kemasan berukuran ringkas, dan potensi biaya daya saing, akan terus menempatkan semikonduktor RF berbasis GaN di atas semua mitra lainnya.
Potensi Tantangan yang Membatasi Bentangan Semikonduktor Daya RF di EV & HEV
Terlepas dari semua inovasi dan hasil positif yang memasuki pasar, beberapa tantangan masih tetap ada sebagai hambatan fungsi semikonduktor daya RF di kendaraan listrik. Bagaimanapun, mengendarai komponen berdaya tinggi dalam nanodetik adalah tugas yang rumit dan disertai dengan banyak kesulitan yang belum terselesaikan. Salah satu tantangan yang paling menonjol adalah peningkatan peringkat tegangan. Meningkatkan pengoperasian yang efisien pada suhu yang lebih tinggi tanpa mengubah desain konvensional adalah tantangan penting lainnya yang terus menarik minat R&D di ruang semikonduktor RF.
Fakta berulang kali menyoroti bahwa aplikasi modul elektronik daya di EV dan HEV sangat menuntut dan kinerjanya tidak hanya bergantung pada inovasi berbasis voltase dan kinerja. Dorongan konstan dalam hal peningkatan struktural dan teknologi desain memastikan ketahanan, keandalan, dan ketahanan termal perangkat RF dalam kendaraan listrik hibrida dan murni / baterai.
Tantangan pengemasan menarik perhatian
Sementara distorsi bagian elektronik di sekitarnya telah menjadi faktor lain yang menantang kesesuaian perangkat semikonduktor RF dalam desain EV, kemasan semikonduktor EMC (epoxy molding compound) telah muncul sebagai bidang penelitian yang sangat menguntungkan, karena memungkinkan pengoperasian tanpa mengganggu komponen elektronik di sekitarnya.
Selain itu, meskipun modul daya RF yang dilipat sudah dianggap sebagai arus utama dalam waktu dekat, desainnya masih memiliki ruang lingkup untuk perbaikan dalam hal manajemen termal. Perusahaan terkemuka dalam lanskap semikonduktor RF dengan demikian menekankan memperluas upaya mereka terkait pengemasan untuk mencapai peningkatan keandalan untuk penggunaan dalam kendaraan listrik.
Masa depan yang lebih baik untuk WBG - Apakah ada?
Dengan latar belakang kematangan SiC dan keunggulan GaN yang telah terbukti, pasar gagal menyelesaikan masalah keandalan yang terkait dengan WBG, yang pada akhirnya membatasi penetrasi pasar semikonduktor FR jenis WBG dalam jangka panjang. Satu-satunya cara untuk mencapai rekayasa semikonduktor jenis WBG yang lebih kuat terletak pada pemahaman yang lebih dalam tentang mekanisme kegagalannya dalam kondisi operasional yang sulit. Para ahli juga berpendapat bahwa WBG mungkin mencapai kematangan di pasar tanpa dukungan strategis konkret yang akan membangun kembali keandalannya untuk pemanfaatan lebih lanjut.
Apa yang dilakukan Behemoth Industri
Wolfspeed, perusahaan Cree Inc. yang berbasis di AS yang mengkhususkan diri pada produk daya SiC dan RF GaN premium, baru-baru ini meluncurkan produk baru yang menghasilkan lebih dari 75% pengurangan kerugian inverter pada drivetrain EV. Dengan peningkatan efisiensi seperti itu, para insinyur cenderung menemukan parameter baru untuk berinovasi dalam hal penggunaan baterai, jangkauan, desain, manajemen termal, dan pengemasan.
Sirkuit inverter tegangan tinggi pada kendaraan listrik dan hibrida menghasilkan banyak panas dan masalah ini perlu ditangani dengan mekanisme pendinginan yang efisien. Penelitian telah berulang kali merekomendasikan bahwa pengurangan ukuran dan berat inverter adalah kunci untuk mencapai pendinginan yang lebih baik dari komponen otomotif di EV dan HEV.
Pada jalur yang sama, mayoritas pemimpin di industri (Hitachi, Ltd., misalnya) tetap fokus pada massa dan ukuran inverter dengan bantuan teknologi pendinginan ganda yang menggunakan cairan atau udara untuk langsung mendinginkan high- tegangan modul daya RF. Mekanisme seperti itu juga memungkinkan penambahan kekompakan dan fleksibilitas dari keseluruhan desain dan dengan demikian, upaya untuk mengurangi kerugian pembangkit listrik.
Menantikan pentingnya desain yang ringkas untuk meningkatkan penerapan semikonduktor daya RF pada kendaraan listrik, inverter SiC ultra-kompak Mitsubishi muncul sebagai pelopor. Mitsubishi Electric Corporation secara khusus mengembangkan produk daya RF ultra-ringkas ini untuk EV hibrida dan mengklaimnya sebagai perangkat SiC terkecil di dunia dari jenisnya. Volume pengemasan yang berkurang dari perangkat ini menghabiskan lebih sedikit ruang di interior kendaraan dan dengan demikian mendukung efisiensi bahan bakar dan energi yang lebih tinggi. Komersialisasi perangkat diantisipasi dalam beberapa tahun mendatang. Sebagian didukung oleh Organisasi Pengembangan Teknologi Industri dan Energi Baru (NEDO, Jepang), perusahaan juga akan segera memulai produksi massal inverter SiC ultra-kompak.
Tahun lalu, unit kontrol yang dapat diprogram (FPCU) lapangan revolusioner pertama di industri diluncurkan sebagai arsitektur semikonduktor baru yang berpotensi bertanggung jawab untuk meningkatkan jangkauan dan kinerja kendaraan listrik dan hibrida. Perangkat semikonduktor RF ini direkayasa oleh Silicon Mobility, yang berbasis di Prancis, dengan tujuan untuk memungkinkan teknologi EV dan HEV yang ada mencapai potensi maksimumnya. Mitra manufaktur Silicon Mobility dalam pengembangan FPCU adalah produsen semikonduktor yang berbasis di AS - GlobalFoundries.
Permintaan Semikonduktor Daya RF Meningkat di Wilayah Asia Pasifik
Karena dunia dengan cepat beralih ke sumber energi rendah karbon untuk mencapai transportasi hemat energi, tekanan meminimalkan jejak karbon pada kendaraan hemat energi di gedung meningkat. Bahkan jika produksi massal telah dimulai sekitar satu dekade yang lalu, pasar untuk EV sudah melampaui pasar untuk kendaraan konvensional yang menggunakan ICE (mesin pembakaran internal). Tingkat ekspansi dari mantan dilaporkan hampir 10X bahwa dari kemudian dan menjelang akhir 2040, lebih dari 1/3 rd dari total penjualan kendaraan baru akan diperhitungkan oleh EVS.
Data terbaru dari China Association of Automobile Manufacturers menyiratkan bahwa lebih dari setengah juta EV telah dijual di China saja, pada tahun 2016, yang sebagian besar mencakup kendaraan komersial dan bus. Meskipun China akan tetap menjadi pasar terbesar untuk EV dalam jangka panjang, tingkat produksi EV terus-menerus berada pada titik tertinggi di seluruh wilayah Asia Pasifik.
Selain industri elektronik konsumen yang berkembang pesat, kawasan ini telah menyaksikan pertumbuhan pasar kendaraan listrik yang cukup besar, baru-baru ini, sehingga menciptakan peluang yang kuat untuk penetrasi semikonduktor daya RF, sebaiknya berdasarkan GaN.
Penilaian global pasar semikonduktor daya RF kira-kira US $ 12 miliar (pada akhir 2018). Dengan peluang terobosan yang muncul dari permulaan teknologi 5G, adopsi ekstensif infrastruktur jaringan nirkabel dan teknologi IIoT (Industrial Internet of Things), pandangan makmur dari lanskap elektronik konsumen, dan pertumbuhan penjualan kendaraan listrik (EV), pendapatan pasar semikonduktor daya RF kemungkinan akan berkembang pada tingkat pertumbuhan tahunan gabungan 12% yang mengesankan hingga tahun 2027.
Aditi Yadwadkar adalah penulis riset pasar yang berpengalaman dan telah banyak menulis tentang industri Elektronika dan Semikonduktor. Di Future Market Insights (FMI), dia bekerja sama dengan tim peneliti Elektronika dan Semikonduktor untuk melayani kebutuhan klien dari seluruh dunia. Wawasan ini didasarkan pada studi terbaru tentang Pasar Semikonduktor Daya RF oleh FMI.