Suuri osa talouslehdistä keskittyy puolijohdeteollisuuden osa-alueisiin, joilla innovointi perustuu prosessointitehon kasvattamiselle. Tällaiset piirit muodostavat kuitenkin vain pienen osan suuremmasta kuvasta. Kun digitaaliset päätökset on tehty, on data lähetettävä liikkeelle tai tallennettava pilveen, mikä kaikki vaatii tehokasta energian käyttöä.

Teollisuus 4.0 tai teollinen IoT (IIoT) on olut isossa roolissa, kun halutaan siirtyä puhtaasti mekaanisista tai sähkömekaanisista järjestelmistä älykkäämpiin ja hienostuneempiin yhdistettyihin elektronisiin järjestelmiin. Tämä vaatii kuitenkin enemmän laitteita, jotka kuluttavat sähköä. Jos tämä toteutetaan ottamatta huomioon energiatehokkuutta, osa IIoT:n alkuoletuksista kaatuu. Tämä vastaa sitä, kun tietotekniikkateollisuus edellytti tehokkaampia teholähteitä, kun käytössä olevien tietokoneiden ja palvelimien määrä kasvoi nopeasti.

Jokaiselle markkinasegmentille

Kun valtiot teollistuvat ja teollisuusmaat pohtivat hiilijalanjälkeään, tehokas energiankulutus on yleinen sitova teema. Teollisessa kontekstissa tämä kattaa laajan valikoiman sovelluksia, kuten virtalähteitä ja moottorin ohjausjärjestelmiä, sekä akkulaturit, koska autonomisten kuljetusajoneuvojen määrä lisääntyy. Asennettujen sähkölaitteiden jatkuvan kasvun myötä voidaan odottaa, että myös uusia määräyksiä syntyy tai nykyisiä määräyksiä kiristetään, jotta ne velvoittavat alhaisen energiankulutuksen ja vauhdittavat muita energiaystävällisiä aloitteita.

Sitten on robotteja ja yhä useammin yhteistyörobotteja (cobotteja), joiden moottoreiden on myös oltava energiatehokkaita, pienikokoisia ja kevyitä. Ja kun kannustamme ihmisiä ja tavaroita siirtymään yksityisestä maantiekuljetuksesta ympäristöystävällisempiin vaihtoehtoihin, myös raideliikenteen kaltaisia vaihtoehtoja on laajennettava ja samalla parannettava tehokkaampiin valvontajärjestelmiin. Lopuksi suuritehoisten sähkönsiirtojärjestelmien (HVDC) kautta toimitetun energian on varmistettava, että – toivottavasti - vihreillä keinoilla tuotettu sähkö siirtyy lähteestä käyttöpisteeseen mahdollisimman pienellä häviöllä.

Sama koskee myös muita markkinoita: autoteollisuus on siirtymässä 48 V:n sähköjärjestelmiin ja -käyttöihin (alemman teholuokan ajoneuvoissa), kodinkoneiden, kuten jäähdytyksen ja ilmastoinnin, on kulutettava vähemmän energiaa ja samalla oltava hiljaisempia.

Innovointia yli pienempien geometrioiden

Digitaaliset järjestelmät, kuten prosessorit ja tekoäly, hyötyvät siirtymisestä yhä tarkempaan litografiaan, mutta suurella määrällä analogisia komponentteja rakennettu pii ei. Monet passiiviset komponentit, kuten kondensaattorit ja induktorit, eivät kutistu, mikä tarkoittaa, että innovaatioiden on tapahduttava muualla. Tehopiirit kuten IGBT- ja MOSFET -laitteet, eivät myöskään hyödynnä hienompaa litografiaa. Sen sijaan valmistajat tarvitsevat perusteellisen ymmärryksen laitteen rakenteen fyysisistä ominaisuuksista sekä vuorovaikutuksesta eri materiaalien risteyksissä, jotta ne voisivat vastata markkinoiden kysyntään.

Viime vuosikymmenten aikana tässä on tapahtunut jatkuvaa parannusta loisvaikutusten, kuten vastuksen, lähtökapasitanssin ja muiden parametrien, vähentämisessä samalla kun kytkentänopeutta on kasvatettu. Tällaiset parannukset staattisiin ja dynaamisiin häviöihin parantavat tehokkuutta ja vähentävät lämmönhukkaa virtalähteissä ja ohjausjärjestelmissä, kuten servokäytöissä. Kotelo on toinen innovaatioalueen avainalue. Nykyiset kotelorakenteet varmistavat, että mahdollinen haihtunut lämpö voidaan poistaa helposti, koska sirun ja kotelon väliset johtumishäviöt on eliminoitu. Lisäksi johtamisen kokonaishäviöt ovat myös pienentyneet, mikä puolestaan vähentää lämmöntuotantoa. Kaikki tämä saavutetaan samalla, kun koteloa kutistetaan, jolloin ne ovat pienempiä ja kevyempiä, säilyttävät luotettavuuden ja tukevat automaattisen optisen tarkistuksen laatuvaatimuksia. Tämä täydentää siitä saavutuksia, joita on saatu sirun sisäisen resistanssin vähentämisessä.

Käytetyt ohjaustekniikat ovat myös kehittyneet, jolloin suunnittelijat voivat torjua ja joskus poistaa vaikutukset, joita näillä loisvaikutuksilla voi olla. Tämä yhdessä tehonmuuntimien kytkentänopeuksien kasvun kanssa mahdollistaa sellaisten edistysaskeleiden saavuttamisen, joita ei voida saavuttaa pelkästään valmistusprosessin parannusten ja fysiikan avulla.

Viimeisen vuosikymmenen yksi tärkeimpiä kehityksiä on ollut laajan kaistaeron (WBG, wide bandgap) tekniikoiden, kuten piikarbidin (SiC) ja galliumnitridin (GaN), laajamittainen käyttöönotto. Nämä voittavat monet piin fyysisistä rajoituksista ja mahdollistavat innovatiivisten tehoratkaisujen käytön, jotka voivat maksimoida suorituskyvyn. Nämä ovat sovelluksia, joissa tehonmuutos tapahtuu 99 tai jopa sitä paremmalla hyötysuhteella.

Digitaalisia prosessoreita analogisessa maailmassa

Vaikka IIoT:ssa on kyse ennen kaikkea datan jakamisesta ja analysoinnista, tällaisiin järjestelmiin tulevat signaalit ja ulostuloja toteuttavat toimilaitteet toimivat edelleen analogisella alueella. Mikro-ohjainten muodossa olevat digitaaliset prosessorit ovat olennainen osa kokonaisuutta, mutta raakaprosessointitehoa ei ole ainoa, mitä tarvitaan. Sen sijaan erittäin integroidut ja kehittyneet ohjausmekanismit, jotka toimivat joissain tapauksissa lähes itsenäisesti, ovat tärkeämpiä kuin puhdas prosessointikyky ja ne on integroitava digitaalisten prosessorien rinnalle.

Toshiba tarjoaa valikoiman mikro-ohjaimia, jotka integroivat tällaisia ohjausmekanismeja, kuten integroitu vektoriprosessori (Vector Engine), joka käsittelee suurimman osan monimutkaisuudesta esimerkiksi kenttäohjauksen takana tai jotka mahdollistavat anturittoman moottorin ohjauksen. Tämä helpottaa suunnittelijoiden työtä ja integroimista tehokkaaseen moottorin ohjaustekniikkaan. Se myös osaltaan ratkaisee yleistä tarvetta toteuttaa älykkäitä lähestymistapoja, jotka tuovat hyötyä järjestelmätasolla, kuten pienen nopeuden moottorin suurella vääntömomentilla.

Kaikki ei ole halvempaa

Vaikka puolijohdetoimittajat ovat hyötyneet litografian kutistumisesta ja kiekkojen koosta, tämä ei tarkoita sitä, että nämä laitteet hinnoiteltaisiin pelkästään käytetyn piin määrän mukaan. Puolijohteiden valmistus vaatii massiivisia investointeja uusien valmistusprosessien, uusien kotelointiratkaisujen ja lisäkapasiteetin luomiseksi tuotantolaitoksissa. Kun vanhat teknologiat "siirtyvät digitaaliseksi" ja nykyiset sovellukset integroituvat yhä enemmän, ne vaativat yhä enemmän tukea ja asiantuntemusta. Nykypäivän mikro-ohjaimeen perustuvat järjestelmät voivat sisältää moottorinohjauksen, digitaalisen tehonmuunnoksen, graafisen käyttöliittymän, verkkoyhteyden ja myös suojauksen. Jokainen näistä olisi aiemmin käsitelty erikseen.

Lisäksi siirtyminen laajan kaistaeron tehokomponentteihin ei korvaa vanhoja piirejä suoraan. Tehoajurien, loistehon parametrien ja pitkäaikainen ikääntyminen ovat erilaisia verrattuna niiden korvaamiin piin MOSFET- ja IGBT-piireihin. Kytkentäprosessin ohjaaminen, nopeiden kytkentäsiirtymien hallinta ja monet muut näkökohdat edellyttävät myös huolellista pohdintaa menestyksekkään suunnittelun varmistamiseksi pitkällä aikavälillä.

Laajan kaistaeron komponentit ovat myös jonkin aikaa kalliimpia kuin aiemmat piivaihtoehdot. Puolijohdetoimittajien osalta tämä edellyttää kapasiteetin arviointia: miten piikarbidin markkinoille saattaminen vaikuttaa seuraavan sukupolven superliitoksen perustuvien MOSFET-piirien kysyntään ja miten tämä muutos pitäisi suunnitella?

Siksi vuorovaikutuksessa puolijohdetoimittajien kanssa on yhä enemmän otettava huomioon pitkän aikavälin kokonaiskustannukset (TCO) ja siitä aiheutuvat järjestelmätason ja loppukäyttäjien edut sen sijaan, että keskityttäisiin pelkästään yksittäisten komponenttien hintaan piirilevyllä.

Uusi normaali

Koska tuotantolaitoksia ja asiakkaita on ympäri maailmaa, Toshiballe on tuttua käsitellä kriisejä, katastrofeja ja niistä aiheutuvia haasteita. Viimeaikaisilla koronaviruksen asettamilla rajoituksilla on kuitenkin ollut vaikutuksia kaikkialla. Ehkä kaikkein vakavin näistä on ollut henkilökohtaisen vuorovaikutuksen väheneminen asiakkaiden kanssa. Näyttelyt ja kongressit siirtyvät verkkoon, joten olemme nopeasti sopeutuneet vaihtoehtoisiin lähestymistapoihin.

Verkkoseminaari tai -näyttely kuten "Journey of Motor Control", tiivisti 40 vuoden kokemuksen ja intohimon tähän aiheeseen. Vierailijat saivat tietoa innovatiivisesta, energiaa säästävästä askelmoottorin ohjauksesta, jossa on automaattinen vahvistuksen säätö (AGC), kolmivaiheinen harjaton moottorinohjauksen InPAC-tekniikka ja muut pienen nopeuden anturittomat (LSSL) ratkaisut.

Toinen tapahtuma oli ”Passion for Power Solutions”, joka keskittyi informoimaan suunnittelijoita niistä haasteista, jotka liittyvät siirtymiseen laajan kaistaeron tehopuolijohteisiin, olemassa olevien DTMOS VI- ja UMOS X -piirien käyttöön sekä sähkömekaanisten releiden elektronisiin korvaajiin.  Tämä korosti, että siirtämällä jatkuvasti olemassa olevien tekniikoiden rajoja tuonnemmaksi optimoimalla johtavuutta ja parantamalla kytkentäominaisuuksia voidaan kustannus -suorituskykysuhteessa edistyä edelleen, kunnes uusista laajan kaistaeron WGB-tuotteista tulee valtavirtaa. Joka tapauksessa verkkotapahtumat osoittavat, miten Toshiba hallitsee siirtymistä uuteen materiaaliteknologiaan.

Myös asiakastuki siirtyy verkkoon ja muuttaa tapaamme pitää yhteyttä ja neuvotella asiakkaiden kanssa suunnittelun haasteista. Ylläpidämme myös korkeatasoista verkkosivustoa, jonka kautta asiakkaat saavat käyttöön tekniset white paper -dokumentit ja sovellusesimerkit, datalehdet, sovellustiedot, viitemallit ja monet muut oppimateriaalit, kuten online-webinaarit ja koulutuspaketit.

Yhteenveto

Epäilemättä käytettävissä olevan energian tehokas käyttö ohjaa suuressa määrin puolijohdeteollisuuden kysyntää nykyään. Riippumatta siitä, onko tarpeen vähentää kohinaa, minimoida lämmöntuotto vai pienentää ratkaisun kokoa, ongelman ydin on elektronien mestarillisessa käsittelyssä.

Puolijohdeteollisuuden arvo on kuitenkin paljon enemmän kuin sen toimittamat tuotteet. Sen sovellustason asiantuntemus, konsultin rooli ja syvä ymmärrys markkinoista ovat yhtä tärkeitä kuin sen kyky innovoida kaikilla tasoilla prosessista kotelointiin ja asiakkaidemme kehittämiin loppujärjestelmiin.