功率器件市場為什么這么火爆？

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

移動應用的爆炸式增長以及電動汽車、可再生能源和云計算市場的增長正在推動對更復雜、更高效的 SoC 和系統(tǒng)的需求。這反過來又推動了對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) 材料來應對這一挑戰(zhàn)，提供具有更高功率密度的更高效器件，但設計復雜性也有所增加。

新材料以更小的外形尺寸帶來更高的效率

功率半導體開關和控制機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體（MOS）技術開發(fā)的。例如，功率 MOSFET（或 MOS 場效應晶體管）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)在開關電源和電機控制器中。電源管理 IC (PMIC) 可以嵌入標準硅芯片或用作獨立設備，執(zhí)行直流到直流轉換、電池充電和電壓調節(jié)等功能。PMIC 是一個基于 MOS 的市場。

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關頻率而被采用。兩種材料都提供更高的效率和功率密度。SiC 越來越受到電動汽車和插電式混合動力電動汽車的關注，并且正在探索用于更大的運輸系統(tǒng)，例如火車、卡車、飛機和船只。到本世紀末，SiC 預計將成為功率器件的領先材料。筆記本電腦充電器也正在從 MOS 轉向 GaN，因為電源可以更小、更高效、可靠性更高。

此外不同類型的功率半導體分立器件和模塊，在汽車上都能找到應用的落腳點。車載功率半導體種類多，在做選型時，成本和效率是最關鍵的兩大要素。首先需要考慮需要多大功率，再去匹配多大的電壓和電流，再結合系統(tǒng)效率和成本最終設計出一套最優(yōu)方案。功率半導體分立器件和模塊根據(jù)在車上不同的系統(tǒng)應用，則選用不同規(guī)格的器件。由此可見，功率半導體在電動汽車上應用場景非常廣泛。不同種類，不同規(guī)格的產品都能匹配到不同的系統(tǒng)應用。

為了優(yōu)化功率，效率最關鍵的方面是導通電阻。電阻會產生熱量，代表功率損耗。當晶體管導通時，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，這使得它們對于提高系統(tǒng)效率具有吸引力。

為了實現(xiàn)更高效的器件，無論是 MOS、SiC 還是 GaN，都需要更大的設計來降低導通電阻。這反過來又帶來了確保設備均勻開啟的設計挑戰(zhàn)。如果器件的某個部分開啟時間較長，則總電流流經開啟的部分，導致電流密度高于預期并影響可靠性。

由于功率器件的布線復雜，現(xiàn)場出現(xiàn)了許多專門的工具來準確分析效率和可靠性。然而，隨著設計規(guī)模的增長，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)的競爭壓力和積極的上市時間目標，需要一種更有效的方法來創(chuàng)建許多應用所需的可靠、持久的功率器件。

功率器件優(yōu)化解決方案

自動化優(yōu)化功率器件流程的解決方案將在縮短周轉時間、同時實現(xiàn)質量目標方面大有幫助。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，通過仔細分析和模擬復雜金屬互連內的電阻和電流來提高效率和可靠性。工程師可以優(yōu)化其設計參數(shù)，包括面積、可靠性、時序和溫度。該解決方案采用高吞吐量仿真引擎，可以自動糾正電遷移違規(guī)，并確定在何處改進設計布局，以提高效率和時序。

難怪電力電子市場現(xiàn)在如此火爆。功率器件在許多領域都是必不可少的。我們日常使用的一系列電池供電設備是其增長的關鍵驅動力，汽車電氣化和可再生能源的蓬勃發(fā)展趨勢也是如此。然而，隨著工程師努力將更多功能集成到單芯片中，同時滿足高效性能和小尺寸的需求，設備本身變得越來越復雜。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備效率的新材料帶來的挑戰(zhàn)。