Теги → силовая электроника
Быстрый переход

В США запустили крупнейшее в мире производство силовых полупроводников из карбида кремния для электромобилей и не только

Американская компания Wolfspeed — дочернее подразделение компании CREE — торжественно открыла в штате Нью-Йорк крупнейший в мире завод по выпуску силовых полупроводниковых элементов на основе карбида кремния. Честь перерезать ленточку доверили ключевому партнёру Wolfspeed — компании Lucid Motors, в чьих электромобилях Lucid Air широко используется электронные компоненты производства Wolfspeed.

 Источник изображения: Wolfspeed

Силовой Н-мост XM3 Wolfspeed из карбида кремния на 1200 В для электромобилей. Источник изображения: Wolfspeed

Силовые элементы на основе карбида кремния (SiC) выгодно отличаются от аналогичных компонентов из кремния. В частности, у элементов на основе SiC выше электрическая прочность, меньше потери, выше быстродействие и рабочая температура, выше радиационная стойкость. Это делает силовые элементы на основе карбида кремния привлекательными для блоков питания, инверторов и других подсистем питания в устройствах от бытовой электроники до бортового оборудования космических аппаратов.

Например, в инверторах электромобилей Lucid Air используются силовые модули XM3 из карбида кремния компании Wolfspeed. Благодаря низким потерям на переключение, минимальному сопротивлению и высокой плотности мощности силовые модули XM3 способствуют повышению эффективности и плотности мощности электродвигателя Lucid Air весом 74 кг и мощностью 670 л.с. (500 кВт). Недавно компания Wolfspeed объявила о многолетнем соглашении с Lucid на поставку SiC-компонентов.

Новый завод, а также производство необходимых дополнительных материалов, которое стартует в Северной Каролине в конце текущего года, обеспечат компании и её клиентам необходимые поставки передовых силовых полупроводниковых приборов. Выпускаться силовые компоненты будут на 200-мм пластинах.

Интересно отметить, что компанию Wolfspeed в 2016 году договорилась купить немецкая компания Infineon. Вскоре сделка была заблокирована американским регулятором, как угрожающая национальной безопасности США. Компании Infineon пришлось выплатить неустойку Wolfspeed, а ещё год спустя уже Wolfspeed приобрела подразделение Infineon по производству радиочастотных компонентов (связь, 5G и так далее), как и ключевые технологии для производства элементов LDMOS, GaN и SiC.

В следующем году рынок «некремниевых» силовых полупроводников превысит один миллиард долларов

По прогнозам аналитической компании Omdia, в 2021 году рынок силовых полупроводников на основе SiC (карбида кремния) и GaN (нитрида галлия) превысит $1 млрд, что обусловлено спросом на электромобили, блоки питания и фотоэлектрические преобразователи. Это означает, что блоки питания и преобразователи станут компактнее и легче, что обеспечит более длительный пробег как электромобилям, так и электронике.

По итогам текущего года, как прогнозируют в Omdia, рынок SiC- и GaN-элементов подорожает до $854 млн. Для сравнения, в 2018 году рынок «некремниевых» силовых полупроводников стоил $571 млн. Тем самым за три года произойдёт почти двукратное увеличение стоимости рынка, что говорит о крайней потребности в данных компонентах.

Силовые полупроводники на основе карбида кремния и нитрида галлия позволяют выпускать диоды, транзисторы и микросхемы для блоков питания и преобразователей с высочайшим значением КПД для токов в широких пределах. Для увеличения дальности пробега электромобиля или для увеличения времени автономной работы смартфона нужны не только современные и ёмкие аккумуляторы, но также полупроводники, которые не теряют энергию на переходных процессах и на промежуточных цепях.

Ожидается, что до конца десятилетия выручка производителей SiC- и GaN-элементов каждый год будет увеличиваться на двухзначную величину, достигнув в 2029 году отметки на уровне $5 млрд.

Из оксида галлия и эпоксидки создан транзистор с напряжением пробоя выше 8 киловольт

Быстрое развитие электротранспорта невозможно без улучшения силовой электроники, от размеров и эффективности которой прямо зависит дальность передвижения электромобилей и электросамолётов. Чем меньше по размерам силовая установка, тем дальше проедет/пролетит транспорт на электрической тяге. Продвинуться на этом пути обещает новая разработка американских учёных ― силовой транзистор толщиной с лист бумаги и напряжением пробоя свыше 8 киловольт.

Изобретение сделала группа учёных из Университета в Буффало (UB). Они предложили и испытали в лаборатории новую форму силового полевого МОП-транзистора. Ежегодно в мире поставляется на рынок порядка 50 млрд MOSFET для производства блоков питания, преобразователей и другой силовой электроники. Университетская разработка при толщине с лист бумаги выдержала 8032 В до пробоя, а это невероятно много при таких размерах.

В качестве основы для полевого транзисторы учёные выбрали оксид галлия. Ширина запрещённой зоны у этого материала рекордная и составляет 4,8 электрон-вольт (эВ). Для сравнения, у кремния ширина запрещённой зоны 1,1 эВ, а у нитрида галлия ― 3,3 эВ. Но и это ещё не всё. Дополнительно транзистор на основе оксида галлия подвергли так называемой пассивации ― снижению активности поверхностного слоя. В данном случае транзистор был покрыт слоем полимера SU-8 на базе эпоксидной смолы. Этот полимер часто используется при производстве электроники и не является чем-то исключительным.

 Строение транзистора и графики испытания (University at Buffalo)

Строение транзистора и графики испытания (University at Buffalo)

«Чтобы действительно внедрить эти [электротранспортные] технологии в будущем, нам нужны электронные компоненты следующего поколения, которые могут выдерживать большие силовые нагрузки без увеличения размеров систем силовой электроники», ― сказал ведущий автор исследования Уттам Сингисетти (Uttam Singisetti). «Эти высокоэффективные системы могут в конечном итоге помочь вам выжать больший радиус действия для электромобиля. Необходимы дальнейшие эксперименты, особенно для проверки напряженности поля этих новых транзисторов».

Xiaomi отозвала из продажи зарядку GaN Charger Type-C 65W из-за опасной уязвимости

Компании Xiaomi пришлось отозвать из продажи своё быстрое зарядное устройство Xiaomi GaN Charger Type-C 65W, которое было представлено в феврале одновременно с анонсом флагманского смартфона серии Mi 10. Причина отзыва — возможность программного взлома зарядного устройства.

Зарядка использует систему интеллектуальной настройки выходного тока и поддерживает различные протоколы быстрой зарядки. Внутри блока GaN Charger Type-C 65W используется чип памяти для хранения протоколов зарядки и новых прошивок. Сторонние эксперты по цифровой безопасности указали компании, что используемый чип не защищён алгоритмами шифрования, поэтому злоумышленники могут его взломать.

Хакеры могут, например, изменить параметры зарядки, увеличив силу тока на выходе и повредив зарядное устройство. Смартфон повредить таким образом вряд ли получится, поскольку все современные модели устройств используют целый набор защит от перегрева и перепада напряжения.

Xiaomi уже отозвала зарядное устройство со всех цифровых платформ, а также из розничных магазинов, сославшись на так называемые «экстренные причины». Когда устройство вернётся в продажу (и вернётся ли вообще) — неизвестно.

Зарядка Xiaomi GaN Type-C 65W разработана с использованием нитрида галлия. Блок на 48 % меньше оригинального адаптера, идущего в комплекте с флагманом Mi 10 Pro. С помощью GaN Type-C 65W можно заряжать Xiaomi 10 Pro с 0 до 100 % всего за 45 минут — примерно на 5 минут быстрее оригинального зарядника Mi 10 Pro.

Зарядки для гаджетов на пороге революции: китайцы научились делать GaN-транзисторы

Силовые полупроводники поднимаются на ступеньку выше. Вместо кремния в дело идёт нитрид галлия (GaN). Инверторы и блоки питания на GaN-транзисторах работают с КПД до 99 %, обеспечивая высочайшую эффективность энергетических систем от электростанций до систем хранения и использования электричества. Лидерами нового рынка являются компании из США, Европы и Японии. Теперь в эту область вошла первая компания из Китая.

 Сравненние быстрых 60-Вт зарядок Apple (большая) и киатйской ROCK (меньшего размра)

Сравнение быстрых 60-Вт зарядок Apple (большая) и китайской ROCK (меньшего размера)

На днях китайский производитель гаджетов компания ROCK выпустила первое зарядное устройство с поддержкой быстрой зарядки на «китайском чипе». В основе обычного, в общем-то, решения лежит GaN силовая сборка серии InnoGaN компании Inno Science. Чип выполнен в стандартном для компактных блоков питания формфакторе DFN 8x8.

Зарядка ROCK 2C1AGaN мощностью 65 Вт компактнее и более функциональная, чем зарядное устройство Apple 61W PD (сравнение выше на фото). Китайская зарядка может одновременно заряжать три устройства по двум интерфейсам USB Type-C и одному USB Type-A. В будущем ROCK на китайских GaN-сборках планирует выпустить версии быстрых зарядок мощностью 100 и 120 Вт. Кроме неё с производителем силовых GaN-элементов компанией Inno Science сотрудничают ещё около 10 китайских производителей зарядных устройств и блоков питания.

 Пример словой сборки в упаковке DFN 8x8

Пример силовой сборки в упаковке DFN 8x8

Изыскания китайских компаний и, в частности, компании Inno Science в области силовых GaN-компонентов призваны привести к независимости Китая от зарубежных поставщиков аналогичных решений. Компания Inno Science обладает собственным центром разработок и лабораторией для полного цикла тестирования решений. Но что более важно, она имеет две производственные линии для выпуска GaN-решений на 200-мм подложках. Для мира и даже для рынка Китая ― это капля в море. Но с чего-то ведь нужно начинать.

STMicroelectronics приобрела долю во французской компании по производству силовых полупроводников

Крупнейший европейский производитель полупроводников компания STMicroelectronics продолжает наращивать мощности на направлении силовых решений. На переднем крае борьбы за рынок силовых полупроводников вращаются технологии по выпуску компонентов из нитрида галлия и карбида кремния. На днях STMicroelectronics выкупила долю в компании Exagan, которая специализируется на производстве GaN-электроники.

Компания Exagan была организована в 2014 году как совместное предприятие французского исследовательского центра CEA-Leti и компании Soitec. Головные офисы и центры исследований Exagan расположены в Тулузе и французском Гренобле. Там же есть офисы и производства компании STMicroelectronics, так что интеграция не потребует значительных усилий. Свою долю в Exagan компании STMicro продал институт CEA-Leti. Компания Soitec сохранила за собой принадлежащий ей пакет акций Exagan. Добавим, сумма и условия сделки не раскрываются.

Элементы на основе нитрида галлия (как и на основе карбида кремния) относятся к так называемым полупроводникам с широкой запрещённой зоной или широкозонным. Эффективность инверторов на широкозонных компонентах достигает 98–99 %, чего невозможно добиться с помощью компонентов на обычном кремнии. Это означает, что блоки питания для электромобилей, смартфонов и другой электроники станут компактнее и холоднее, что, в свою очередь, облегчит и уменьшит конструкцию систем отвода тепла. Для мира будущего от солнечных ферм до электромобилей и носимой электроники ― это существенный плюс и даже насущная необходимость.

Надо сказать, что STMicroelectronics взяла разгон в области силовых компонентов на основе широкозонных полупроводников. Месяц назад, например, она выбрала своим субподрядчиков по производству интегрированных и дискретных силовых компонентов тайваньскую компанию TSMC. Это определённо поможет STMicroelectronics начать подминать под себя долю конкурентов в этой области, например, долю компании Infineon.

Инженерная ассоциация IEEE представила план развития широкозонных полупроводников

Силовая электроника на так называемых широкозонных полупроводниках ― это та копейка, которая рубль бережёт. Эффективность инверторов на ключах из карбида кремния или нитрида галлия достигает 99 %. И это не единственное их преимущество, хотя в свете тотальной электрификации транспорта эффективность ― это главное. Как этим распорядиться? Для этого институт IEEE подготовил трёхуровневую «дорожную карту».

 Shutterstock

Shutterstock

Институт инженеров электротехники и электроники — IEEE — это некоммерческая ассоциация специалистов в области техники. На счету рабочих групп этой организации множество стандартов по радиоэлектронике, электротехнике и аппаратному обеспечению вычислительных систем и сетей. Всем привычный Wi-Fi, например, это серия стандартов IEEE 802.11х. Поэтому появление стандартов или рекомендаций IEEE в области развития и продвижения полупроводников с широкой запрещённой зоной можно только приветствовать.

Дискретные и интегрированные решения на широкозонных полупроводниках (WBG, wide bandgap) позволяют и позволят выпускать предельно компактные и эффективные преобразователи энергии для смартфонов, ноутбуков, серверов и бытовой электроники. Они найдут применение в системах питания электромобилей и в преобразователях энергии, полученной из возобновляемых источников (а там с мощностью или постоянством источников очень негусто, так что эффективность оправдает себя на все сто процентов).

Планы по оптимальному развитию WBG-решений и областей применения широкозонных полупроводников составили рабочие группы Общества IEEE PELS (Power Electronics Society). Это технологическая дорожная карта для силовых полупроводников с широкой запрещенной зоной или ITRW. «Цель этого документа ― ускорить процесс НИОКР, чтобы реализовать потенциал этой новой технологии».

Четыре направления ITRW включают области изучения подложек и отдельных элементов (транзисторов), конструкцию модулей и упаковку, решения и область применения полупроводников на основе нитрида галлия (GaN) и область применения полупроводников на основе карбида кремния (SiC). В разработке рекомендаций в этих областях участвуют эксперты со всего мира, в том числе материаловеды и инженеры, специалисты по устройствам и исследователи, политики и представители промышленности и научных кругов.

Представленные планы по продвижению широкозонных полупроводников разделены на краткосрочные (5 лет), средние (5–15 лет) и долгосрочные. Краткосрочные планы опираются на существующие продукты и приложения. Среднесрочные планы разъясняют пути наиболее успешной коммерциализации WBG-разработок, а долгосрочные планы посвящены перспективным разработкам, например, созданию интегрированных WBG-преобразователей. «Дорожная карта» не бесплатная. Только участники PELS получат её бесплатно. Для членов IEEE доступ к документу стоит $50, а для всех остальных ― по $250.

Добавим, стандартами в области широкозонных полупроводников также занимается комитет JEDEC, и его рабочие группы уже достигли определённого успеха на этом пути.

Китайская компания открывает в Англии центр по разработкам полупроводников

Одна из крупных в Китае компаний по производству силового и управляющего электрооборудования для железнодорожного и автомобильного транспорта — CRRC Times Electric (штаб квартира в Чжучжоу) — приняла решение открыть в Англии центр по разработкам. Центр будет открыт в Бирмингеме в первой половине 2018 года. В течение следующих трёх лет центр Times Electric Innovation Centre (TEIC) наберёт на работу до 200 инженеров.

Разработки будут вращаться вокруг создания силовых полупроводников и технологий широкого спектра мощности. Это будут решения для таких растущих отраслей, как электромобили, силовые установки электровозов, аэрокосмическая отрасль, распределение электроэнергии и возобновляемая энергетика.

Компания CRRC Times Electric, в актив которой входит также создание силовой и управляющей обвязки маглевов (поездов на магнитной подушке), уже располагает в Англии двумя дочерними предприятиями: Dynex Semiconductor и Soil Machine Dynamics. Компания Dynex Semiconductor располагается в городе Линкольн (Восточный Мидленд). Soil Machine Dynamics расположена в Ньюкасл-апон-Тайн (графство Тайн-энд-Уир). Компания Dynex Semiconductor располагает собственным центром разработок, деятельность которого на первых порах будет дополнена новым центром.

По мере набора персонала и развёртывания деятельности новый центр вместе с центром Dynex будет разрабатывать силовые полупроводники ДМОП (Diffusion Metal Oxide Semiconductor), модульные структуры на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor), решения для передачи высоковольтного постоянного тока (high-voltage direct current), и предоставят сервис для внедрения разработок в производство. В дальнейшем центр TEIC уйдёт от разработки исключительно силовой продукции и начнёт работу в нескольких перспективных направлениях. Компании Dynex и SMD получат доступ к разработкам центра TEIC бесплатно и без уплаты лицензионных сборов.

Электромобили стимулируют переход на новые силовые транзисторы

Мы не первый раз встречаем информацию о необходимости перехода на новую силовую элементную базу. Традиционные силовые транзисторы MOSFET на базе кремниевых подложек имеют ряд недостатков, которые при иных обстоятельствах казались несущественными. Переходные процессы в MOSFET ведут к лишним потерям, что при стремлении к повальной электрификации наземного транспорта выглядит уже как расточительство.

 По центру транзистор на подложке из карбида кремния, справа на обычной кремниевой

По центру транзистор на подложке из карбида кремния, справа на обычной кремниевой

Кроме того, при прочих равных рабочих характеристиках транзисторы на базе новых материалов — на подложках из карбида кремния (SiC, silicon carbide) и нитрида галлия (GaN) — оказываются значительно меньше по габаритам, чем традиционные силовые элементы. Попросту говоря, блоки питания нового поколения могут уменьшиться в размерах на 80–90 %.

 Новые материалы позволят существенно уменьшить размеры блоков питания (пример Toyota)

Новые материалы позволят существенно уменьшить размеры блоков питания (пример Toyota)

По мнению аналитиков компании Yole Development, в ближайшие годы производители силовых элементов в массе откажутся от использования кремниевых подложек для выпуска силовых транзисторов. Главной движущей силой перехода на новые подложки обещают стать гибридные и чисто электрические автомобили. Сообщается, что большинство разработчиков электронных приборов с использованием материалов SiC/GaN близки к решению проблем, обычно возникающих при переходе к массовому производству новой продукции.

 Два сценария роста рынка силовых элементов на новых м атериалах: обычный и взрывной (Yole)

Два сценария роста рынка силовых элементов на новых материалах: обычный и взрывной (Yole)

Кроме силовых элементов для электромобилей материалы SiC/GaN планируется использовать для всего спектра электроники — как низковольтной (до 600 В), так и высоковольтной (до 3300 В). Это схемы компенсации коэффициента мощности (PFC), солнечная и ветроэнергетика, блоки бесперебойного питания и многое другое.

 Основные игроки на рынке новых силовых полупроводников и их рыночные доли (Yole)

Основные игроки на рынке новых силовых полупроводников и их рыночные доли (Yole)

Доминировать на рынке силовых элементов с использованием SiC/GaN будут продолжать две компании: Infineon и Cree, которым по итогам 2014 года принадлежит 68 % нового рынка. Остальные 32 % рынка делят между собой компании Rohm, STMicroelectronics, GE, Fuji Electric и другие. Ожидается, что до 2020 года рынок силовых полупроводников на новых материалах утроится и превысит уровень продаж в 436 млн долларов США.

Учёные создали транзисторы из нитрида галлия

Такой экзотический материал, как нитрид галлия (GaN), является перспективным полупроводником и может найти применение в электронных устройствах будущего. Он намного эффективнее кремния, отмечают исследователи.

 Прототип самого маленького в мире адаптера для ноутбука

Прототип самого маленького в мире адаптера для ноутбука

В 2013 году Министерство энергетики США выделило около $70 млн для изучения и разработки GaN-приборов. Такая щедрость обусловлена перспективой сократить потребляемую энергию при внедрении электроники на базе GaN-элементов. Предприятие Cambridge Electronics, являющееся детищем Массачусетского технологического института (MIT), заявило о разработке линейки GaN-транзисторов и силовых электронных схем. По подсчётам учёных, новая разработка позволит сократить потребляемую электроэнергию в дата-центрах, электромобилях и потребительских устройствах примерно на 10–20 %.

Большинство современных адаптеров питания используют кремниевые транзисторы, которые имеют большое сопротивление и при переключении выделяют тепловую энергию, тем самым снижая эффективность работы. Предложенные GaN-транзисторы имеют в десять раз меньшее сопротивление по сравнению с кремниевыми аналогами. Кроме того, они имеют более высокую скорость переключения. Устройства с такими компонентами могут быть гораздо компактнее. Например, размеры адаптера питания для ноутбука можно уменьшить на две трети.

 Сравнение характеристик GaN и MOSFET

Сравнение характеристик переключения GaN и MOSFET

Первоначально учёные вырастили тонкий слой нитрида галлия на поверхности основы. Далее экспериментально на этот слой накладывались в разных комбинациях другие материалы. В итоге исследователям удалось найти такую комбинацию, которая позволила создать новый тип транзисторов GaN. Кроме того, они позаботились и о разработке доступного по цене техпроцесса. При одинаковой себестоимости GaN-транзисторы в 100 раз лучше по производительности.

В настоящее время Cambridge Electronics использует свои передовые транзисторы для разработки компактных адаптеров для ноутбуков. Ещё одним реалистичным приложением видится создание более совершенной системы питания дата-центров Google, Amazon, Facebook* и других гигантов. Эти ЦОД потребляют около 2 % электричества США. GaN-элементы позволят ощутимо снизить энергозатраты, утверждают исследователи.

Остаётся надеется, что эта разработка не заглохнет и постепенно выйдет на коммерческие рельсы.


* Внесена в перечень общественных объединений и религиозных организаций, в отношении которых судом принято вступившее в законную силу решение о ликвидации или запрете деятельности по основаниям, предусмотренным Федеральным законом от 25.07.2002 № 114-ФЗ «О противодействии экстремистской деятельности».

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
В Steam с разрешения Valve выйдет фанатский шутер во вселенной Half-Life 46 мин.
Пингвины против Боузера и Марио без акцента в дебютном трейлере анимационного фильма по Super Mario Bros. 3 ч.
Нити и связи: Кодзима подтвердил первую актрису на роль в своей следующей игре и опубликовал тизер второй 3 ч.
Dead Space в Steam обойдётся без привязки к Origin, а сам Origin вскоре заменят 3 ч.
Суд по делу Twitter против Илона Маска может быть отменён, если он купит компанию к 28 октября 5 ч.
Покупка Маском Twitter вновь под вопросом — нужно решить проблему с кредитом на $13 млрд 8 ч.
Новая статья: 10 браузеров для ПК, о существовании которых вы вряд ли догадывались 12 ч.
В России появилась ещё одна соцсеть — QR'ME, которая построена на QR-кодах 15 ч.
Sony добавила в Marvel’s Spider-Man на ПК интеграцию с PSN, но пользы от неё пока мало 15 ч.
Добро пожаловать в Город душ: Капитан Прайс и Гоуст на пороге глобального конфликта в релизном трейлере Call of Duty: Modern Warfare 2 16 ч.