功率器件市场为什么这么火爆？

电动汽车 (EV) 和可再生能源的日益普及使功率半导体器件成为人们关注的焦点。这些功率器件对于确定各种系统（从小型家用电子产品到外太空使用的设备）的效率始终至关重要。但随着减少碳排放的呼声越来越高，这些芯片的市场继续蓬勃发展——根据 Mordor Intelligence 的数据，功率 IC 市场将从今年的 418.1 亿美元增长到 2028 年的 492.3 亿美元。

移动应用的爆炸式增长以及电动汽车、可再生能源和云计算市场的增长正在推动对更复杂、更高效的 SoC 和系统的需求。这反过来又推动了对功率器件提高效率和功率密度的需求。

人们正在采用碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 材料来应对这一挑战，提供具有更高功率密度的更高效器件，但设计复杂性也有所增加。

新材料以更小的外形尺寸带来更高的效率

功率半导体开关和控制机制将电力从一种形式传输到另一种形式，为终端系统提供调节和控制的电力。传统上，功率器件是采用金属氧化物半导体（MOS）技术开发的。例如，功率 MOSFET（或 MOS 场效应晶体管）控制电路中的高电流或功率，并且通常作为分立元件出现在开关电源和电机控制器中。电源管理 IC (PMIC) 可以嵌入标准硅芯片或用作独立设备，执行直流到直流转换、电池充电和电压调节等功能。PMIC 是一个基于 MOS 的市场。

然而，SiC 和 GaN 由于电阻率较低、能够在更高的温度下工作并使用更高的开关频率而被采用。两种材料都提供更高的效率和功率密度。SiC 越来越受到电动汽车和插电式混合动力电动汽车的关注，并且正在探索用于更大的运输系统，例如火车、卡车、飞机和船只。到本世纪末，SiC 预计将成为功率器件的领先材料。笔记本电脑充电器也正在从 MOS 转向 GaN，因为电源可以更小、更高效、可靠性更高。

此外不同类型的功率半导体分立器件和模块，在汽车上都能找到应用的落脚点。车载功率半导体种类多，在做选型时，成本和效率是最关键的两大要素。首先需要考虑需要多大功率，再去匹配多大的电压和电流，再结合系统效率和成本最终设计出一套最优方案。功率半导体分立器件和模块根据在车上不同的系统应用，则选用不同规格的器件。由此可见，功率半导体在电动汽车上应用场景非常广泛。不同种类，不同规格的产品都能匹配到不同的系统应用。

为了优化功率，效率最关键的方面是导通电阻。电阻会产生热量，代表功率损耗。当晶体管导通时，从输入到输出的电阻是多少？与 MOS 相比，SiC 和 GaN 的电阻都较低，这使得它们对于提高系统效率具有吸引力。

为了实现更高效的器件，无论是 MOS、SiC 还是 GaN，都需要更大的设计来降低导通电阻。这反过来又带来了确保设备均匀开启的设计挑战。如果器件的某个部分开启时间较长，则总电流流经开启的部分，导致电流密度高于预期并影响可靠性。

由于功率器件的布线复杂，现场出现了许多专门的工具来准确分析效率和可靠性。然而，随着设计规模的增长，许多工具缺乏所需的能力。此外，为了提供完整的分析，包括软件包的影响也很重要。

显然，由于持续的竞争压力和积极的上市时间目标，需要一种更有效的方法来创建许多应用所需的可靠、持久的功率器件。

功率器件优化解决方案

自动化优化功率器件流程的解决方案将在缩短周转时间、同时实现质量目标方面大有帮助。Synopsys Power Device WorkBench 就是这样一种解决方案。Power Device WorkBench 旨在优化功率晶体管，通过仔细分析和模拟复杂金属互连内的电阻和电流来提高效率和可靠性。工程师可以优化其设计参数，包括面积、可靠性、时序和温度。该解决方案采用高吞吐量仿真引擎，可以自动纠正电迁移违规，并确定在何处改进设计布局，以提高效率和时序。

难怪电力电子市场现在如此火爆。功率器件在许多领域都是必不可少的。我们日常使用的一系列电池供电设备是其增长的关键驱动力，汽车电气化和可再生能源的蓬勃发展趋势也是如此。然而，随着工程师努力将更多功能集成到单芯片中，同时满足高效性能和小尺寸的需求，设备本身变得越来越复杂。Power Device WorkBench 等完整的电源优化解决方案可以解决这些挑战，以及有助于提高这些设备效率的新材料带来的挑战。