Uudet mullistavat teknologiat, kuten tekoäly, sähköajoneuvot ja uusiutuvan energian järjestelmät, luovat valtavan kysynnän tehopuolijohteille. Näillä sovellusalueilla on pitkälti yhteiset tekniset vaatimukset: tarve entistä suuremmalle tehotiheydelle, korkeammalle hyötysuhteelle ja paremmalle lämmönhallinnalle – samalla kun ne toimivat mittakaavassa, jossa asteittaiset parannukset tarkoittavat miljardien eurojen energiansäästöjä.

Puolijohteiden toimittajille nämä teknologiat edustavat merkittävää mahdollisuutta. Piipohjaisten mosfetien ja IGBT-kytkimien kehitys, laajan energiakaistavälin omaavien materiaalien, kuten piikarbidin (SiC), esiinmarssi sekä parannellut kotelointitekniikat vauhdittavat kriittisten tehokomponenttien jatkuvaa käyttöönottoa lukuisilla nopeasti kasvavilla markkinoilla. Yhdessä kestävään valmistukseen sitoutumisen kanssa nämä kasvumarkkinat tarjoavat puolijohteiden valmistajille houkuttelevan tilaisuuden luoda vahva perusta huippuosaamiselle seuraavan sukupolven tehoelektroniikassa.

Tuotantoon investoidaan

Tämän markkinakasvun hyödyntämiseksi puolijohteiden toimittajat ovat valmistautuneet jännittävään innovaatiokauteen. Esimerkiksi Toshiba on tunnistanut, että tekoälyjärjestelmien infrastruktuuri, sähköistetty liikenne ja uusiutuvan energian järjestelmät toimivat elektroniikan kehityksen ensisijaisina ajureina tulevina vuosikymmeninä – ja on ryhtynyt ahkerasti toimiin hyödyntääkseen edessä olevat mahdollisuudet. Yhtiön monivuotinen elvytyssuunnitelma on johtanut jatkuviin investointeihin laitoksiin, jotka vauhdittavat tehoelektroniikan innovaatioita ja tukevat huippusovellusten kehittämistä.

Esimerkiksi Japanissa Ishikawan prefektuurissa valmistuneen uuden 300 millin piikiekkoja valmistavan laitoksen myötä Toshiban tehopuolijohteiden, pääasiassa mosfetien ja IGBT-kytkimien, tuotantokapasiteetti on nyt 2,5 kertaa suurempi kuin vuonna 2021, jolloin investointisuunnitelma tehtiin. Samaan aikaan Hyogon prefektuurissa rakennettavan huipputeknisen tuotantolaitoksen ansiosta voidaan automatisoida monenlaisten erillispuolijohteiden kokoonpanoa, kotelointia ja testausta esimerkiksi sähköajoneuvojen sovelluksia varten.

On tärkeää, että elvytyssuunnitelma noudattaa globaalia mutta paikallista strategiaa tehopuolijohteiden kysynnän tyydyttämiseksi maailman keskeisillä alueilla. Tämä tarkoittaa läsnäolon vahvistamista Euroopassa, jotta täällä voidaan rakentaa entistä syvempiä yhteyksiä markkinoihin sekä toimittaa asiakkaille räätälöityjä tuotteita ja ratkaisuja. Siksi Toshiballa on toimipisteitä esimerkiksi Saksassa, Ranskassa, Italiassa, Espanjassa, Ruotsissa ja Isossa-Britanniassa. Tämä tarjoaa yhtiölle kattavaan informaatioon perustuvan näkökulman yksittäisiin markkinoihin.

Uusia tuotteita kehitetään

Miten nämä investoinnit tutkimukseen ja kehitykseen sekä tuotantolaitoksiin sitten heijastuvat tuoteinnovaatioihin? Vastaus piilee useissa merkittävissä teknologian edistysaskelissa esimerkiksi energiatehokkaissa SiC-mosfeteissa, IGBT-kytkimissä, diodeissa ja hilaohjaimissa.

Tarkastellaan joitakin näistä läpimurroista tarkemmin. Ensinnäkin nyt kehitetään uusia piikarbidiin perustuvia 1200 voltin SiC-mosfet-kytkimiä, jotka yltävät 30 % alhaisempaan on-kytkennän resistanssiarvoon hyödyntämällä shakkiruutumaisesti sirulle sulautettuja Schottky-diodeja (SBD). Rakenne soveltuu erityisesti sähköajoneuvojen voimansiirron inverttereihin.

Uusi rakenne parantaa energiatehokkuutta ja säilyttää samalla korkean luotettavuuden vastasuuntaisen johtavuuden aikana. Tämä on kriittinen ongelma, joka on vaivannut perinteisiä SiC MOSFET -transistoreita. Koska sähkömoottorit kuluttavat yli 40 % koko maailman sähköenergiasta, nämä entistä energiatehokkaammat tehokytkimet edistävät merkittävästi energian säästämistä sekä kestävän kehityksen tavoitteita sähköajoneuvoissa ja sähkömoottorien ohjaussovelluksissa.

Lisäksi Toshiba kehittää seuraavan sukupolven SiC-mosfettia, joka hyödyntää kaivantotekniikkaa UIS-kestävyyden (Unclamped Inductive Switching) parantamiseksi sekä Super Junction -tyyppisiä Schottky-diodeja, jotka estävät resistanssin kasvua korkeissa lämpötiloissa. Molemmat ratkaisut auttavat saavuttamaan alhaisemman resistanssin päälle kytkettäessä ja tarjoavat näin entistä parempaa luotettavuutta.

IGBT:t ja diodit edustavat toista innovaatiosektoria. Toshiballa on yli 20 vuoden kokemus niiden tuotannosta, yli 300 miljoonan kappaleen markkinahistoria ja todistetusti erittäin alhaisten vikamäärien historia. Tästä syystä piipohjaisen vastasuuntaan johtavan IGBT-kytkimen uusin edistysaskel, joka yhdistää IGBT:n ja vapaakäyntidiodin (freewheeling diode) samalle sirulle, laajentaa innovaatioiden rajoja entisestään.

Tämä lähestymistapa pienentää tehopuolijohde-elementtien sirupinta-alaa ja tarjoaa samalla alhaisen lämpöresistanssin laajan lämpöä poistavan pinta-alan ansiosta. Vastasuuntaan johtava IGBT edistää tehosovellusten, kuten sähköauton voimansiirron invertterijärjestelmien, fyysisen koon kutistamista.

Tulevaisuudessa on mahdollista optimoida suunnittelua edelleen. Estämällä ylimääräisten aukkojen injektointi IGBT-puolelta vapaakäyntidiodin käytön aikana, diodin ominaisuudet paranevat heikentämättä kuitenkaan IGBT:n ominaisuuksia.

Kolmanneksi Toshiba tarjoaa laajan valikoiman suojaus- ja eristystuotteita. Näitä ovat esimerkiksi valokytkimet ja korkeajännitteiset fotoreleet auton akuston hallintajärjestelmiin sekä uuden sukupolven digitaaliset erottimet. Yksi parhaillaan kehitettävä tulevien järjestelmien optimoinnin keskeinen osa on aktiivinen hilaohjaus (Active Gate Control), joka auttaa ohjaamaan SiC-MOSFET- ja IGBT-transistoreita entistä tehokkaammin sekä ratkaisee kytkentähäviöiden ja kohinan välisen kompromissin optimoimalla hilaohjauksen kytkennän aikana.

Vaikka tekniset yksityiskohdat eivät vielä ole julkisia, Toshiban sisäiset testit ovat osoittaneet, että hallitsemalla ohjauksen voimakkuutta optimaalisella ajoituksella tämä aktiivinen hilaohjaus voi parantaa merkittävästi sekä syöksy- että häviötekijöitä verrattuna tavanomaiseen jänniteohjattuun muutosnopeuden säätöön. Tämä tarjoaa merkittäviä parannuksia suorituskykyyn.

Optimoitua suunnittelua

Nämä ovat vain muutamia esimerkkejä tuoteläpimurroista, jotka ovat auttaneet ennakoimaan uuden aikakauden alkua tehoelektroniikassa. Teknologian kehityksen on kuitenkin oltava osa kokonaisvaltaisempaa optimointistrategiaa, joka ulottuu yksittäisten komponenttien suorituskyvyn ulkopuolelle ja vastaa keskeisiin tekijöihin kuten kestävyyteen ja kustannuskilpailukykyyn tietyissä sovelluksissa.

Koteloinnin innovaatiot ovat tästä erinomainen esimerkki: Toshiban suunnittelijat keskittyvät kriittisiin alueisiin, kuten edistyneeseen lämmönhallintaan, parannettuun luotettavuuteen ja kompaktiin kokoon. Nämä ominaisuudet parantavat järjestelmän kokonaissuorituskykyä ja yksinkertaistavat valmistusprosesseja.

Myös järjestelmätason integrointi on tärkeää. Täydentävät tuoteperheet, mukaan lukien mikro-ohjaimet, hilaohjaimet ja erotuselimet, on suunniteltava toimimaan yhdessä maksimaalisen energiatehokkuuden saavuttamiseksi. Toshiba on saavuttanut tämän tarjoamalla referenssisuunnitelmia, simulointimalleja, järjestelmätason simulointitukea ja mallipohjaista suunnittelua.

Laitetason puolijohderatkaisujen lisäksi hyvä esimerkki on myös se, miten Toshiba Digital Solutions -yhtiö lähestyy järjestelmätason simulointia VNET DCP -ohjelmiston avulla. Tämä korkean tason simulointiohjelmisto yhdistää suuren määrän simulointimalleja ja erilaisia kehitystyökaluja, mikä mahdollistaa yhteistyöympäristön mallipohjaiselle kehitykselle useiden tiimien ja yritysten kesken. Pilvipohjainen alusta mahdollistaa yrityksille monimutkaisten ajoneuvojärjestelmien, kuten autonomisen ajamisen, testaamisen turvallisessa digitaalisessa työtilassa.

Valmistajat ja toimittajat voivat yhdistää tietokonemalleja laajamittaisten testien suorittamiseksi jakamatta kuitenkaan salaisia suunnitelmiaan toistensa kanssa. VNET DCP hoitaa automaattisesti monimutkaiset tehtävät, jotka liittyvät eri simulointityökalujen ja mallien linkittämiseen, jolloin tiimit voivat etäohjata testejä yhdestä paikasta. Tämä yhteistyöhön perustuva lähestymistapa mahdollistaa yrityksille ongelmien tunnistamisen aikaisemmin, laadun parantamisen ja parempien tuotteiden kehittämisen entistä nopeammin.

Kohti kestävää kehitystä

Tämä kokonaisvaltainen lähestymistapa tarjoaa vankan pohjan tehoelektroniikan jatkuvalle kehittämiselle. Toshiba on myös sitoutunut pitkän aikavälin tutkimukseen ja kehitykseen vauhdittaakseen yhä laajempia huippuluokan valmiuksia, jotka edistävät hiilineutraaliuden ja kiertotalouden toteutumista digitalisaation avulla.

Esimerkiksi Saksan Düsseldorfissa sijaitseva Regenerative Innovation Centre toimii tärkeänä tutkimuskeskuksena, jonka lukuisiin tutkimuskohteisiin kuuluvat muun muassa akut ja puolijohteet, energia-aiheet - erityisesti uusiutuvat luonnonvarat, vetytalous ja energianhallinta. Lisäksi aiheita ovat hiilinegatiiviset ratkaisut: hiilidioksidin talteenotto, varastointi ja hyödyntäminen sekä digitaaliset alustat, joilla pyritään hyödyntämään energia- ja CO2-dataa.

Kestävä kehitys on kaikessa keskeisenä ajurina. Toshiba on aktiivinen jäsen CDP-projektissa (Carbon Disclosure Project), ja tämä kansainvälinen voittoa tavoittelematon projekti nimesi viime vuonna yhtiön jo kolmannen kerran peräkkäin vuoden ’Supplier Disclosure Leaderiksi’. Samaan aikaan Toshiban laatima aloite ’Environmental Future Vision 2050’ tarjoaa kehityspolun yhä kestävämpään yhteiskuntaan.

Lyhyesti ilmaistuna Toshiba on tunnistanut tekoälyn, sähköajoneuvojen ja uusiutuvan energian järjestelmien kaltaisten teknologioiden mullistavan luonteen ja niiden myönteisen vaikutuksen koko yhteiskuntaan. Oikeanlaisten ihmisten, tuotteiden ja prosessien avulla yhtiö on sitoutunut tukemaan tällaisten innovaatioiden edistämistä ’Excellence in Power’ -konseptillaan – sekä nyt että tulevaisuudessa.