GaN i SiC: współistnienie czy substytucja?

Dążenie do wyższej gęstości mocy i wydajności stało się głównym motorem innowacji w wielu branżach, w tym w centrach danych, energii odnawialnej, elektronice użytkowej, pojazdach elektrycznych i technologiach jazdy autonomicznej. W dziedzinie materiałów o szerokim paśmie wzbronionym (WBG) azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC) to obecnie dwie podstawowe platformy, postrzegane jako kluczowe narzędzia wiodące wiodące innowacje w półprzewodnikach mocy. Materiały te głęboko przekształcają przemysł energoelektroniki, aby sprostać stale rosnącemu zapotrzebowaniu na energię.

W rzeczywistości niektóre wiodące firmy w branży SiC również aktywnie badają technologię GaN. W marcu tego roku Infineon przejął kanadyjski start-up GaN GaN Systems za 830 milionów dolarów w gotówce. Podobnie firma ROHM zaprezentowała niedawno swoje najnowsze produkty SiC i GaN na targach PCIM Asia, ze szczególnym uwzględnieniem urządzeń GaN HEMT marki EcoGaN. Z drugiej strony w sierpniu 2022 r. firma Navitas Semiconductor, która pierwotnie skupiała się na technologii GaN, przejęła GeneSiC, stając się jedyną firmą zajmującą się portfolio półprzewodników mocy nowej generacji.

Rzeczywiście, GaN i SiC w pewnym stopniu pokrywają się pod względem wydajności i zastosowań. Dlatego istotna jest ocena potencjału aplikacyjnego tych dwóch materiałów z perspektywy systemowej. Chociaż różni producenci mogą mieć własne punkty widzenia podczas procesu badawczo-rozwojowego, niezbędna jest ich wszechstronna ocena z wielu aspektów, w tym trendów rozwojowych, kosztów materiałów, wydajności i możliwości projektowych.

Jakie kluczowe trendy w branży energoelektroniki spotyka GaN?

Jim Witham, dyrektor generalny GaN Systems, nie zdecydował się na ustąpienie, jak inni dyrektorzy przejętych spółek; zamiast tego nadal często występuje publicznie. Niedawno w swoim przemówieniu podkreślił znaczenie półprzewodników mocy GaN, zauważając, że technologia ta pomoże projektantom i producentom systemów zasilania zająć się trzema kluczowymi trendami przekształcającymi obecnie branżę energoelektroniki, przy czym GaN odgrywa kluczową rolę w każdym z trendów.

Dyrektor generalny GaN Systems, Jim Witham

Po pierwsze, kwestia efektywności energetycznej. Przewiduje się, że do 2050 r. globalne zapotrzebowanie na energię wzrośnie o ponad 50%, co spowoduje konieczność optymalizacji efektywności energetycznej i przyspieszenia przejścia na energię odnawialną. Obecna transformacja koncentruje się nie tylko na efektywności energetycznej, ale obejmuje także bardziej wymagające aspekty, takie jak niezależność energetyczna i integracja z głównym siecią elektroenergetyczną. Technologia GaN oferuje znaczące korzyści w zakresie oszczędzania energii w zastosowaniach związanych z energią i magazynowaniem. Na przykład mikroinwertery słoneczne wykorzystujące GaN mogą generować więcej energii elektrycznej; Zastosowanie GaN w konwersji AC-DC i falownikach może zmniejszyć straty energii w systemach magazynowania baterii nawet o 50%.

Po drugie, proces elektryfikacji, szczególnie w sektorze transportu. Pojazdy elektryczne zawsze były w centrum tego trendu. Jednak elektryfikacja rozszerza się na transport dwukołowy i trójkołowy (taki jak rowery, motocykle i riksze) na gęsto zaludnionych obszarach miejskich, zwłaszcza w Azji. W miarę dojrzewania tych rynków zalety tranzystorów mocy GaN staną się coraz bardziej widoczne, a GaN będzie odgrywał kluczową rolę w poprawie jakości życia i ochronie środowiska.

Wreszcie, świat cyfrowy przechodzi ogromne zmiany, aby sprostać wymaganiom dotyczącym danych w czasie rzeczywistym i szybkiemu rozwojowi sztucznej inteligencji (AI). Obecne technologie konwersji i dystrybucji energii w centrach danych nie nadążają za szybko rosnącymi wymaganiami wynikającymi z przetwarzania w chmurze i uczenia maszynowego, zwłaszcza energochłonnych aplikacji AI. Osiągając oszczędności energii, zmniejszając wymagania dotyczące chłodzenia i zwiększając efektywność kosztową, technologia GaN zmienia krajobraz zasilania centrów danych. Połączenie generatywnej sztucznej inteligencji i technologii GaN stworzy bardziej wydajną, zrównoważoną i solidną przyszłość dla centrów danych.

Jako lider biznesowy i zagorzały zwolennik ochrony środowiska Jim Witham wierzy, że szybki rozwój technologii GaN będzie miał znaczący wpływ na różne gałęzie przemysłu zależne od energii i będzie miał głęboki wpływ na gospodarkę światową. Zgadza się również z przewidywaniami rynkowymi, że przychody z półprzewodników mocy GaN osiągną 6 miliardów dolarów w ciągu najbliższych pięciu lat, zauważając, że technologia GaN oferuje wyjątkowe zalety i możliwości w konkurencji z SiC.

Jak GaN wypada w porównaniu z SiC pod względem przewagi konkurencyjnej?

W przeszłości istniały pewne błędne przekonania na temat półprzewodników mocy GaN, a wielu uważało, że nadają się one bardziej do zastosowań związanych z ładowaniem w elektronice użytkowej. Jednak podstawowa różnica między GaN i SiC polega na ich zastosowaniach w zakresie napięcia. GaN sprawdza się lepiej w zastosowaniach niskiego i średniego napięcia, podczas gdy SiC jest używany głównie w zastosowaniach wysokiego napięcia przekraczającego 1200 V. Niemniej jednak wybór między tymi dwoma materiałami wiąże się z uwzględnieniem czynników napięcia, wydajności i kosztów.

Na przykład na wystawie PCIM Europe 2023 firma GaN Systems zaprezentowała rozwiązania GaN, które wykazały znaczny postęp w zakresie gęstości mocy i wydajności. W porównaniu z konstrukcjami tranzystorów SiC, pokładowe ładowarki (OBC) oparte na GaN 11 kW/800 V osiągnęły 36% wzrost gęstości mocy i 15% redukcję kosztów materiałów. Konstrukcja ta integruje również topologię trójpoziomowego latającego kondensatora w bezmostkowej konfiguracji PFC z biegunem totemowym i technologią podwójnego aktywnego mostu, redukując naprężenia napięciowe o 50% przy użyciu tranzystorów GaN.

W trzech kluczowych zastosowaniach pojazdów elektrycznych — ładowarkach pokładowych (OBC), przetwornicach DC-DC i falownikach trakcyjnych — GaN Systems współpracowało z Toyotą przy opracowywaniu prototypu samochodu wykonanego w całości z GaN, dostarczając gotowe do produkcji rozwiązania OBC dla amerykańskiego start-upu zajmującego się pojazdami elektrycznymi Canoo i nawiązał współpracę z Vitesco Technologies w celu opracowania konwerterów GaN DC-DC do systemów zasilania pojazdów elektrycznych 400 V i 800 V, oferując producentom samochodów większy wybór.

Jim Witham uważa, że ​​klienci obecnie polegający na SiC prawdopodobnie szybko przejdą na GaN z dwóch powodów: ograniczonej dostępności i wysokich kosztów materiałów. W miarę wzrostu zapotrzebowania na energię w różnych branżach, od centrów danych po motoryzację, wczesne przejście na technologię GaN umożliwi tym przedsiębiorstwom skrócenie czasu potrzebnego na dogonienie konkurencji w przyszłości.

Z punktu widzenia łańcucha dostaw SiC jest droższy i wiąże się z ograniczeniami dostaw w porównaniu z GaN. Ponieważ GaN jest wytwarzany na płytkach krzemowych, jego cena szybko spada wraz ze wzrostem popytu na rynku, dzięki czemu można dokładniej przewidzieć przyszłą cenę i konkurencyjność. Z drugiej strony ograniczona liczba dostawców SiC i długie terminy realizacji, zwykle do roku, mogą zwiększyć koszty i wpłynąć na popyt na produkcję samochodów po roku 2025.

Pod względem skalowalności GaN jest niemal „nieskończenie” skalowalny, ponieważ można go wytwarzać na płytkach krzemowych przy użyciu tego samego sprzętu, co miliardy urządzeń CMOS. GaN będzie wkrótce mógł być produkowany na 8-, 12-, a nawet 15-calowych płytkach, podczas gdy tranzystory MOSFET SiC są zwykle produkowane na 4- lub 6-calowych płytkach i dopiero zaczynają się przestawiać na płytki 8-calowe.

Pod względem parametrów technicznych GaN jest obecnie najszybszym na świecie urządzeniem przełączającym moc, oferującym wyższą gęstość mocy i wydajność wyjściową niż inne urządzenia półprzewodnikowe. Przynosi to znaczne korzyści konsumentom i firmom, czy to w postaci mniejszych rozmiarów urządzeń, szybszych prędkości ładowania czy zmniejszonych kosztów chłodzenia i zużycia energii w centrach danych. GaN wykazuje ogromne zalety.

Systemy zbudowane z GaN charakteryzują się znacznie większą gęstością mocy w porównaniu do SiC. W miarę rozprzestrzeniania się GaN stale pojawiają się nowe produkty systemów zasilania o mniejszych rozmiarach, podczas gdy SiC nie jest w stanie osiągnąć tego samego poziomu miniaturyzacji. Według GaN Systems wydajność ich urządzeń pierwszej generacji przekroczyła już wydajność najnowszych urządzeń półprzewodnikowych SiC piątej generacji. Ponieważ wydajność GaN poprawia się od 5 do 10 razy w krótkim okresie, oczekuje się, że ta różnica w wydajności będzie się pogłębiać.

Dodatkowo urządzenia GaN posiadają znaczące zalety, takie jak niski ładunek bramki, zerowy odzysk sygnału zwrotnego i płaska pojemność wyjściowa, umożliwiając wysoką jakość przełączania. W zastosowaniach od średniego do niskiego napięcia poniżej 1200 V straty przełączania GaN są co najmniej trzy razy niższe niż w przypadku SiC. Z punktu widzenia częstotliwości większość konstrukcji opartych na krzemie pracuje obecnie w zakresie od 60 kHz do 300 kHz. Chociaż częstotliwość SiC uległa poprawie, ulepszenia GaN są bardziej wyraźne, osiągając częstotliwości 500 kHz i wyższe.

Ponieważ SiC jest zwykle używany do napięć 1200 V i wyższych, a tylko kilka produktów nadaje się do napięcia 650 V, jego zastosowanie jest ograniczone w niektórych konstrukcjach, takich jak elektronika użytkowa 30–40 V, pojazdy hybrydowe 48 V i centra danych, z których wszystkie są ważnymi rynkami. Dlatego rola SiC na tych rynkach jest ograniczona. Z drugiej strony GaN przoduje w tych poziomach napięcia, wnosząc znaczący wkład w centra danych, elektronikę użytkową, energię odnawialną, motoryzację i sektory przemysłowe.

Aby pomóc inżynierom lepiej zrozumieć różnice w wydajności pomiędzy tranzystorami polowymi GaN FET (tranzystorami polowymi) i SiC, firma GaN Systems zaprojektowała dwa zasilacze 650 V, 15 A, wykorzystując odpowiednio SiC i GaN, a następnie przeprowadziła szczegółowe testy porównawcze.

Bezpośrednie porównanie GaN i SiC

Porównując GaN E-HEMT (tranzystor o zwiększonej mobilności elektronów) z najlepszym w swojej klasie tranzystorem MOSFET SiC w zastosowaniach szybkiego przełączania, stwierdzono, że w przypadku stosowania w synchronicznych przetwornicach DC-DC konwerter z GaN E- HEMT wykazywał znacznie wyższą wydajność niż ta z SiC MOSFET. Porównanie to wyraźnie pokazuje, że GaN E-HEMT przewyższa najlepszy SiC MOSFET w kluczowych parametrach, takich jak szybkość przełączania, pojemność pasożytnicza, straty przełączania i wydajność cieplna. Dodatkowo, w porównaniu z SiC, GaN E-HEMT wykazuje znaczną przewagę w uzyskiwaniu bardziej kompaktowych i wydajnych konstrukcji konwerterów mocy.

Dlaczego GaN może potencjalnie przewyższać SiC w pewnych warunkach?

Obecnie tradycyjna technologia krzemowa osiągnęła swoje granice i nie może zaoferować wielu zalet, jakie posiada GaN, podczas gdy zastosowanie SiC ogranicza się do określonych scenariuszy użytkowania. Termin „pod pewnymi warunkami” odnosi się do ograniczeń tych materiałów w określonych zastosowaniach. W świecie coraz bardziej zależnym od energii elektrycznej GaN nie tylko poprawia istniejące dostawy produktów, ale także tworzy innowacyjne rozwiązania, które pomagają przedsiębiorstwom zachować konkurencyjność.

W miarę jak półprzewodniki mocy GaN przechodzą od wczesnego wdrożenia do produkcji masowej, głównym zadaniem decydentów biznesowych jest uznanie, że półprzewodniki mocy GaN mogą zapewnić wyższy poziom ogólnej wydajności. Pomaga to klientom nie tylko zwiększyć udział w rynku i rentowność, ale także skutecznie zmniejsza koszty operacyjne i nakłady inwestycyjne.

We wrześniu tego roku firmy Infineon i GaN Systems wspólnie uruchomiły nową platformę czwartej generacji azotku galu (Gen 4 GaN Power Platform). Od zasilacza serwerowego AI o mocy 3,2 kW w 2022 r. po obecną platformę czwartej generacji, jego wydajność nie tylko przewyższa standard wydajności 80 Plus Titanium, ale także gęstość mocy wzrosła ze 100 W/cal3 do 120 W/cal3. Platforma ta nie tylko wyznacza nowe standardy w zakresie efektywności energetycznej i wielkości, ale także oferuje znacznie lepszą wydajność.

Podsumowując, niezależnie od tego, czy chodzi o firmy SiC nabywające firmy GaN, czy firmy GaN nabywające firmy SiC, podstawową motywacją jest poszerzanie rynku i obszarów zastosowań. W końcu GaN i SiC należą do materiałów o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), a przyszłe materiały półprzewodnikowe czwartej generacji, takie jak tlenek galu (Ga2O3) i antymonki, będą stopniowo pojawiać się, tworząc zróżnicowany ekosystem technologiczny. Dlatego te materiały nie zastępują się nawzajem, ale raczej wspólnie napędzają rozwój branży.**