Thị trường bán dẫn WBG toàn cầu đạt 1,6 tỷ USD vào năm 2022, với tốc độ tăng trưởng gộp hàng năm CAGR ước tính là 13% trong 8 năm tới. Việc áp dụng các chất bán dẫn WBG, đặc biệt là silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), hiện đang thiết lập các tiêu chuẩn mới về hiệu năng của các hệ thống công suất trong các ngành ô tô, công nghiệp và năng lượng. Tác động của chất bán dẫn WBG đến xu hướng điện tử công suất (PE) vào năm 2024 là gì và chúng sẽ xác định lại quy trình thiết kế và mô phỏng như thế nào trong thập kỷ tới?
Thuật ngữ 'bandgap - độ rộng vùng cấm' dùng để chỉ sự chênh lệch năng lượng giữa trạng thái cách điện và trạng thái dẫn điện của một vật liệu, một yếu tố quan trọng quyết định độ dẫn điện của vật liệu này.
Như được thể hiện trong Hình 1, với độ rộng vùng cấm lớn, Gallium Nitride (GaN) thể hiện ba ưu điểm chính mà đặc tính này có thể cung cấp.
Hình 1. Các tính chất của bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn
Hình 2. Tốc độ chuyển mạch của bán dẫn SiC và GaN
GaN và các chất bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn khác cung cấp các giải pháp cho các ứng dụng công suất cao, tần số cao và nhiệt độ cao với hiệu suất năng lượng được cải thiện và thiết kế linh hoạt.
Bà Emily Yan, Keysight Technologies, phân tích ưu điểm của vật liệu WBG, thách thức trong thiết kế, và tác động đến các ngành công nghiệp chủ chốt.
Việc áp dụng rộng rãi hơn các chất bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn (WBG), bao gồm silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), đặt ra các tiêu chuẩn mới trong thiết kế của Nguồn điện chế độ chuyển mạch (SMPS) – về hiệu suất năng lượng, độ nhỏ gọn và trọng lượng.
Tuy nhiên, tốc độ chuyển mạch cao hơn của bán dẫn GaN và SiC đặt ra các yêu cầu thiết kế phức tạp hơn. Các kỹ sư điện tử công suất phải quản lý nhiễu điện từ (EMI) và tối ưu hóa hiệu năng nhiệt để đảm bảo độ tin cậy và chức năng. Ví dụ, hài bố trí có thể dẫn đến đột biến điện áp với các giá trị di/dt cao. Các kỹ sư điện tử công suất phải đối mặt với các vấn đề cấp bách sau đây.
Để có thể giải quyết các vấn đề phức tạp này, đội ngũ kỹ sư cần các giải pháp mô phỏng tiên tiến để giải quyết có hiệu quả các hiệu ứng hài bố trí và khả năng phân tích nhiệt mạnh mẽ.
Hình 3. Phân tích nhiệt ở cấp độ bảng mạch và sơ đồ bằng cách sử dụng PEPro của Keysight
Xe điện (EV)
Trong bối cảnh doanh số EV toàn cầu dự kiến sẽ tăng 21% vào năm 2024, hiệu suất năng lượng của các thiết bị điện tử ô tô là yếu tố vô cùng quan trọng – mỗi phần trăm bổ sung là một thành tựu lớn. GaN tạo điều kiện để thiết kế các bộ sạc tích hợp và biến tần kéo nhỏ gọn và hiệu quả hơn, giúp tăng đến 6% phạm vi vận hành của xe.
Trung tâm dữ liệu
Nền kinh tế số mở rộng làm gia tăng mức tiêu thụ năng lượng của trung tâm dữ liệu, khi Mỹ dự kiến sẽ cần thêm 39 gigawatt trong 5 năm tới - tương đương với năng lượng cung cấp cho khoảng 32 triệu hộ gia đình. Bán dẫn độ rộng vùng cấm lớn có thể là chìa khóa để giải quyết thách thức này bằng cách tạo ra mật độ máy chủ cao hơn, giảm tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải carbon.
Cụ thể, việc triển khai các bóng bán dẫn GaN trong cơ sở hạ tầng trung tâm dữ liệu có thể giúp giảm 100 tấn khí thải CO2 hàng năm từ 10 giá máy. Mức tăng hiệu suất này đặc biệt phù hợp khi nhu cầu tính toán và năng lượng của các ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) tăng vọt, có khả năng làm tăng gấp 3 mật độ năng lượng của giá máy.
Năng lượng tái tạo
Bán dẫn dải độ rộng vùng cấm lớn cho phép phát điện đáng tin cậy hơn và tạo ra các giải pháp tiết kiệm chi phí trong hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo dân dụng và thương mại. Ví dụ, các bóng bán dẫn GaN có mức tổn thất điện năng ít hơn tới bốn lần so với các giải pháp năng lượng silicon truyền thống.
Con đường phía trước trong kỷ nguyên chất bán dẫn WBG
GaN và SiC đại diện cho một làn sóng đổi mới sáng tạo mới về vật liệu để nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện tử công suất và xác định lại cách chúng ta cung cấp năng lượng cho thế giới. Khi các ứng dụng cho chất bán dẫn WBG mở rộng, Keysight cung cấp cho khách hàng một môi trường mô phỏng thống nhất , trạo quyền để họ có thể thiết kế các hệ thống điện tử đáng tin cậy và bền chắc trong nhiều điều kiện vận hành.
