Тенденции развития силовой электроники

Тенденции развития силовой электроники

Выпуск 20 (6694) от 16 октября 2019 г.
РУБРИКА: МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

На сегодняшний день крупнейшим рынком для фирм-изготовителей силовой электроники остаются промышленные применения. Но уже в не таком далеком будущем основным рынком сбыта для них станут электромобили и гибридные транспортные средства с их огромным потенциалом и технологическими инновациями. Согласно данным недавнего исследования (Status of the Power Electronics Industry report) фирмы Yole Développement, производство силовой электроники для электромобилей и гибридных транспортных средств в период 2018–2024 гг. продемонстрирует среднегодовой темп роста в сложных процентах (CAGR) порядка 20,7%.

Две исследовательских фирмы, Yole Développement (г. Лион, Франция) и System Plus Consulting (г. Нант, Франция), входящие в группу фирм Yole (Yole Group of Companies), недавно провели совместное исследование современного состояния и перспектив развития рынка силовой электроники. В рамках данного исследования было подтверждено, что как большинство изготовителей, так и наибольшие объемы продаж силовой электроники в настоящее время ориентированы на промышленные предприятия. Однако ожидаемое в ближайшие годы взрывообразное развитие электромобилей, гибридных транспортных средств и соответствующей инфраструктуры приведет к существенному изменению ситуации. К 2024 г. и далее все большая часть силовой электроники будет потребляться автопроизводителями. Отмечается, что основными факторами развития автомобильной промышленности, особенно сектора электромобилей и гибридных автомобилей, становятся как научно-технический прогресс, так и требования рынка (рис. 1).



Источник: Yole Développement, Status of the Power Electronics Industry 2019 report

Рисунок 1. Основные факторы и тенденции развития силовой электроники

* ИБП – источники бесперебойного питания.


Развитие рынка силовой электроники оказывает воздействие и на другие рынки и сферы человеческой деятельности. Увеличение энергопотребления, развитие экологически чистых транспортных средств вызывает потребность в расширении электрификации, увеличении применения возобновляемых источников энергии и т. п. Для обслуживания электромобилей и гибридного транспорта необходимо расширять сеть зарядных станций как в городах, так и за их пределами. С учетом того, что на автомагистралях будут необходимы большие станции для быстрой одновременной зарядки множества автомобилей, потребность в развитии электросетей становится очевидной.

Для лучшего обеспечения потребностей электромобилей в электроэнергии необходимо также развивать сектор систем накопления энергии. Предполагается осуществлять развертывание крупных систем солнечных панелей в непосредственной близости к зарядным станциям.

Кроме того, по мере распространения средств автономного вождения будет увеличиваться объем обмена данными, в том числе по системам V2X-связи, вырастет число центров обработки данных, радарных и лидарных систем и других объектов инфраструктурной поддержки.

Аналитики Yole подчеркивают устойчивый синергизм между всеми упомянутыми секторами и ростом автомобильного рынка, в частности за счет электромобилей и гибридных транспортных средств. Воздействие данных факторов в целом выльется в устойчивый рост индустрии силовой электроники: продажи здесь возрастут с 53,4 млрд долл. в 2018 г. до 72,6 млрд долл. в 2024-м (рис. 2).



Рисунок 2. Эволюция рынка инверторов за период 2018–2024 гг. в разбивке по применениям, млрд долл.


При рассмотрении рынка на приборном уровне оказывается, что максимум продаж дискретных приборов приходится на МОП-полевые транзисторы. Однако наибольший рост наблюдается в секторе приборов высокой мощности, для которых требуются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или SiC-приборы, обеспечивающие желаемую эффективность. По прогнозам Yole Développement, в период 2018–2024 гг. CAGR продаж IGBT и МОП-полевых транзисторов составит 3,7 и 4,6% соответственно, при этом рост продаж МОП-полевых транзисторов обусловлен именно проникновением на данный рынок SiC-приборов – ​их потребление в электромобилях продемонстрирует в прогнозируемый период наибольшие темпы прироста [1].

Тем не менее в долгосрочной перспективе мощные полупроводниковые приборы на GaN и SiC постепенно заменят свои аналоги на основе кремния, в основном потому, что использование мощных GaN- или SiC-транзисторов может привести к более простым и эффективным решениям для хранения энергии. По прогнозам, к 2025 г. совокупный рынок GaN- и SiC-приборов составит более 3 млрд долл. и будет в значительной степени зависеть от возобновляемых источников энергии и электромобилей.

Кроме того, в мире производится все больше и больше центров обработки данных (ЦОД), гибридных автомобилей, промышленных двигателей. Требования по питанию растут на каждом рынке, глобальные потребности в электроэнергии, как ожидается, увеличатся с 25,0 тыс. ТВтч в настоящее время до 38,0 тыс. ТВтч в 2050 г. Сегодня 8 млн ЦОД используют 2–3% мирового энергопотреб-ления, и эта доля вырастет до более чем 5%. Промышленные двигатели потребляют 30%, их энергопотребление также растет. Электромобили также становятся крупными потребителями электроэнергии – ​в 2040 г. на них придется до 5% ее мирового потребления. GaN мощные полупроводниковые приборы уменьшат потери во всех этих системах.

GaN-технология играет важную роль в продвижении инноваций в мощных полупровод-никовых приборах. Она позволяет удовлетворить новые потребности, увеличить мощность и производительность, добиться большей эффективности и уменьшения размеров.

По сравнению с приборами с широкой запрещенной зоной, такими как SiC-транзисторы, GaN-приборы обладают рядом преимуществ, в том числе с точки зрения ценообразования, доступности материалов, возможностей создания конструкций под низкие и средние требования к напряжению тока. Системы, созданные с использованием GaN мощных полупроводниковых приборов, обладают лучшей плотностью мощности, чем системы на SiC-приборах. К преимуществам также относятся низкий заряд затвора, нулевой обратный ток восстановления и плоская выходная емкость. Все это обеспечивает высокие характеристики переключения. Цены на GaN мощные полупроводниковые приборы легко масштабировать так, чтобы со временем они стали конкурентоспособны по сравнению с кремниевыми приборами, особенно ввиду того, что GaN мощные полупроводниковые приборы производятся на кремниевых пластинах.

Сторонники GaN мощных полупроводниковых приборов утверждают, что эти изделия прошли существенную эволюцию. Если несколько лет назад GaN-технология обкатывалась в основном в университетских исследовательских лабораториях, то сегодня такие признанные фирмы, как Denso, GaN Systems, Sonnen и Supermicro, описывают на конференциях и других мероприятиях, как GaN мощные полупроводниковые приборы улучшают параметры систем, в которых они используются. Сейчас системы с мощными GaN полупровод-никовыми приборами начинают коммерциализироваться, появляется гораздо больше возможностей для инновационного процесса в этой области. GaN-приборы с напряжением 100 и 650 В соответствуют требованиям энергосистем в настоящее время и в ближайшей перспективе [2].

Возвращаясь к SiC мощным полупроводниковым приборам, можно отметить, что их сторонники, наоборот, считают свою технологию превосходящей GaN-приборы. Недавно корпорация Cree, мировой лидер в области SiC-технологии, объявила о планах по созданию «кластера карбида кремния» на Восточном побережье США. Предполагается создание крупнейшего в мире завода (в штате Нью-Йорк) по производству карбида кремния. Кроме того, корпорация построит совершенно новый завод (г. Марси, шт. Нью-Йорк) по обработке 200‑мм пластин, на которых будут производиться SiC мощные полупроводниковые приборы для автомобилей и SiC мощные РЧ-приборы. Наконец, будет расширяться существующая в Дареме (шт. Северная Каролина) мегафабрика по производству SiC-пластин и других материалов – ​она находится в «Исследовательском треугольнике» и пользуется поддержкой расположенных там университетов.

Создание нового завода – ​часть ранее объявленного проекта по резкому увеличению производственных мощностей фирмы Wolfspeed, подразделения Cree. Высокоавтоматизированное предприятие с увеличенной производительностью будет заниматься и SiC-, и GaN-технологиями. Проект осуществляется в рамках стратегического партнерства с властями штата Нью-Йорк и другими государственными и местными учреждениями и организациями. Решение о строительстве позволит как продолжать дальнейшее расширение потенциала, так и значительно сократить чистую себестоимость на производственных мощностях Cree. В результате Cree продолжит осуществлять переход с кремниевой на SiC-технологию, а ее подразделение Wolfspeed будет выпускать приборы для электромобилей, средств связи поколений 4G/5G и промышленной электроники.

В рамках партнерства Cree инвестирует около 1 млрд долл. в строительство, оснащение оборудованием и другие расходы нью-йоркского предприятия. Инвестиции будут осуществляться до 2024 г. Штат Нью-Йорк предоставит грант в размере 500 млн долл. через инвестиционный фонд Empire State Development, а Cree получит право на дополнительные местные стимулы и льготы, а также на использование оборудования и инструментальных средств Политехнического института Нью-Йоркского университета (SUNY). В результате компания рассчитывает получить чистую экономию капитала в размере около 280 млн долл. Кроме того, реализация проекта позволит осуществить 25%-ное увеличение объемов производства по сравнению с ранее запланированными показателями. После завершения строительства в 2022 г. площадь нового объекта составит около 44,6 тыс. м2, при этом примерно одну четверть составит пространство чистых комнат, призванных обеспечить возможность расширения мощностей по мере необходимости. Это еще больше улучшит конкурентные позиции Cree на рынке и ускорит внедрение SiC в ряде быстрорастущих отраслей промышленности [3].

IGBT-модули также демонстрируют существенный рост продаж, что объясняется их соответствием требованиям высокой отдачи мощности и плотности, предъявляемым основными силовыми применениями. Сегодня на данные модули приходится 23% общего объема рынка. Новые применения, такие как системы накопления энергии, инфраструктура подзарядки и электромобили, в ближайшие годы потребуют модулей с различными уровнями мощности и требованиями к надежности, что приведет к увеличению разнообразия данных приборов.

Потребность в повышении производительности, а также внедрение новых материалов с различными техническими свойствами подтолкнули производителей силовой электроники к выявлению и разработке инновационных решений как на приборном уровне, так и на уровне корпусирования (рис. 3).



Источник: System Plus Consulting

Рисунок 3. Тенденции в области корпусирования блоков питания

* Овермолдинг – литье под низким давлением.

** DBC – прямое присоединение меди.


Фирма System Plus Consulting, партнер компании Yole Développement, в ближайшем будущем ожидает появления большого числа значительных инноваций. Разумеется, в процессе разработки ключевым моментом является стоимость. Поэтому производители силовой электроники используют глобальный подход с целью обеспечения эффективной интеграции разработки и производства, а также гибкости сборки.

Подводя итог, можно сказать, что развитие автомобильного рынка приведет к перестройке всей отрасли силовой электроники. При этом для повышения производительности и эффективности силовых модулей наряду с технологическими усовершенствованиями на заводах по обработке пластин, принадлежащих производителям этой техники, будет осваиваться обработка пластин диаметром 300 мм. Это также будет способствовать росту производства.

Yole Développement и System Plus Consulting намерены внимательно следить за дальнейшим развитием рынка силовой электроники и его участников [1].


Barbarini Elena, Villamor Ana. The Power of Electronics. I-Micronews, September 12, 2019: https://www.i-micronews.com/the-power-of-electronics/?utm_source=ZohoCampaigns&utm_campaign

Di Paolo Emilio Maurizio. GaN is Driving Power Semiconductors. EE Times, September 24, 2019: https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1335143

Davis Shannon. Cree Announces Update to Capacity Expansion Plan. Semiconductor Digest, September 23, 2019: https://www.semiconductor-digest.com/2019/09/23/cree-announces-update-to-capacity-expansion-plan/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.