功率器件市場(chǎng)為什么這么火爆？

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

移動(dòng)應(yīng)用的爆炸式增長(zhǎng)以及電動(dòng)汽車、可再生能源和云計(jì)算市場(chǎng)的增長(zhǎng)正在推動(dòng)對(duì)更復(fù)雜、更高效的 SoC 和系統(tǒng)的需求。這反過(guò)來(lái)又推動(dòng)了對(duì)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(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，提供具有更高功率密度的更高效器件，但設(shè)計(jì)復(fù)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(dǎo)體開(kāi)關(guān)和控制機(jī)制將電力從一種形式傳輸?shù)搅硪环N形式，為終端系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)和控制的電力。傳統(tǒng)上，功率器件是采用金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）技術(shù)開(kāi)發(fā)的。例如，功率 MOSFET（或 MOS 場(chǎng)效應(yīng)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(xiàn)在開(kāi)關(guān)電源和電機(jī)控制器中。電源管理 IC (PMIC) 可以嵌入標(biāo)準(zhǔn)硅芯片或用作獨(dú)立設(shè)備，執(zhí)行直流到直流轉(zhuǎn)換、電池充電和電壓調(diào)節(jié)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)汽車和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的關(guān)注，并且正在探索用于更大的運(yùn)輸系統(tǒng)，例如火車、卡車、飛機(jī)和船只。到本世紀(jì)末，SiC 預(yù)計(jì)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(zhuǎn)向 GaN，因?yàn)殡娫纯梢愿?、更高效、可靠性更高?/p>

此外不同類型的功率半導(dǎo)體分立器件和模塊，在汽車上都能找到應(yīng)用的落腳點(diǎn)。車載功率半導(dǎo)體種類多，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(jié)合系統(tǒng)效率和成本最終設(shè)計(jì)出一套最優(yōu)方案。功率半導(dǎo)體分立器件和模塊根據(jù)在車上不同的系統(tǒng)應(yīng)用，則選用不同規(guī)格的器件。由此可見(jiàn)，功率半導(dǎo)體在電動(dòng)汽車上應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛。不同種類，不同規(guī)格的產(chǎn)品都能匹配到不同的系統(tǒng)應(yīng)用。

為了優(yōu)化功率，效率最關(guān)鍵的方面是導(dǎo)通電阻。電阻會(huì)產(chǎn)生熱量，代表功率損耗。當(dāng)晶體管導(dǎo)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(duì)于提高系統(tǒng)效率具有吸引力。

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

由于功率器件的布線復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了許多專門的工具來(lái)準(zhǔn)確分析效率和可靠性。然而，隨著設(shè)計(jì)規(guī)模的增長(zhǎng)，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(xù)的競(jìng)爭(zhēng)壓力和積極的上市時(shí)間目標(biāo)，需要一種更有效的方法來(lái)創(chuàng)建許多應(yīng)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(zhuǎn)時(shí)間、同時(shí)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)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(xì)分析和模擬復(fù)雜金屬互連內(nèi)的電阻和電流來(lái)提高效率和可靠性。工程師可以優(yōu)化其設(shè)計(jì)參數(shù)，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(guī)，并確定在何處改進(jìn)設(shè)計(jì)布局，以提高效率和時(shí)序。

難怪電力電子市場(chǎng)現(xiàn)在如此火爆。功率器件在許多領(lǐng)域都是必不可少的。我們?nèi)粘Ｊ褂玫囊幌盗须姵毓╇娫O(shè)備是其增長(zhǎng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，汽車電氣化和可再生能源的蓬勃發(fā)展趨勢(shì)也是如此。然而，隨著工程師努力將更多功能集成到單芯片中，同時(shí)滿足高效性能和小尺寸的需求，設(shè)備本身變得越來(lái)越復(fù)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(zhàn)，以及有助于提高這些設(shè)備效率的新材料帶來(lái)的挑戰(zhàn)。