GaN și SiC: Coexistență sau substituție?

Impulsul pentru o densitate și eficiență mai mare a puterii a devenit un motor principal al inovației în mai multe industrii, inclusiv centre de date, energie regenerabilă, electronice de larg consum, vehicule electrice și tehnologii de conducere autonomă. În domeniul materialelor cu bandă interzisă largă (WBG), nitrura de galiu (GaN) și carbura de siliciu (SiC) sunt în prezent cele două platforme de bază, văzute ca instrumente esențiale care conduc inovarea semiconductoarelor de putere. Aceste materiale transformă profund industria electronică de putere pentru a răspunde cererii tot mai mari de energie.

De fapt, unele companii de top din industria SiC explorează în mod activ tehnologia GaN. În martie a acestui an, Infineon a achiziționat startup-ul canadian GaN GaN Systems pentru 830 de milioane de dolari în numerar. De asemenea, ROHM și-a prezentat recent cele mai recente produse SiC și GaN la PCIM Asia, cu accent deosebit pe dispozitivele GaN HEMT ale mărcii EcoGaN. Dimpotrivă, în august 2022, Navitas Semiconductor, care sa concentrat inițial pe tehnologia GaN, a achiziționat GeneSiC, devenind singura companie dedicată portofoliului de semiconductori de putere de ultimă generație.

Într-adevăr, GaN și SiC prezintă o oarecare suprapunere în scenariile de performanță și de aplicație. Prin urmare, este crucial să se evalueze potențialul de aplicare al acestor două materiale din perspectiva sistemului. Deși diferiți producători pot avea propriile puncte de vedere în timpul procesului de cercetare și dezvoltare, este esențial să le evaluăm cuprinzător din mai multe aspecte, inclusiv tendințele de dezvoltare, costurile materialelor, performanța și oportunitățile de proiectare.

Care sunt tendințele cheie în industria electronică de putere pe care GaN le îndeplinește?

Jim Witham, CEO al GaN Systems, nu a ales să facă un pas înapoi, ca alți directori ai companiilor achiziționate; în schimb, continuă să facă apariții publice frecvente. Recent, într-un discurs, el a subliniat importanța semiconductorilor de putere GaN, menționând că această tehnologie va ajuta proiectanții și producătorii de sisteme de alimentare să abordeze trei tendințe cheie care transformă în prezent industria electronică de putere, GaN jucând un rol crucial în fiecare tendință.

CEO-ul GaN Systems, Jim Witham

În primul rând, problema eficienței energetice. Se estimează că cererea globală de energie va crește cu peste 50% până în 2050, ceea ce face imperativă optimizarea eficienței energetice și accelerarea tranziției către energia regenerabilă. Tranziția actuală nu se concentrează doar pe eficiența energetică, ci se extinde și asupra unor aspecte mai provocatoare, cum ar fi independența energetică și integrarea cu rețeaua electrică principală. Tehnologia GaN oferă avantaje semnificative de economisire a energiei în aplicațiile de energie și stocare. De exemplu, microinvertoarele solare care folosesc GaN pot genera mai multă energie electrică; Aplicația GaN în conversia AC-DC și invertoare poate reduce risipa de energie în sistemele de stocare a bateriilor cu până la 50%.

În al doilea rând, procesul de electrificare, în special în sectorul transporturilor. Vehiculele electrice au fost întotdeauna în centrul acestei tendințe. Cu toate acestea, electrificarea se extinde la transportul pe două și trei roți (cum ar fi biciclete, motociclete și ricșe) în zonele urbane dens populate, în special în Asia. Pe măsură ce aceste piețe se maturizează, avantajele tranzistoarelor de putere GaN vor deveni mai proeminente, iar GaN va juca un rol crucial în îmbunătățirea calității vieții și a protecției mediului.

În cele din urmă, lumea digitală trece prin schimbări masive pentru a satisface cerințele de date în timp real și dezvoltarea rapidă a inteligenței artificiale (AI). Tehnologiile actuale de conversie și distribuție a energiei din centrele de date nu pot ține pasul cu cerințele în creștere rapidă aduse de cloud computing și de învățarea automată, în special de aplicațiile AI care consumă energie. Prin realizarea de economii de energie, reducerea cerințelor de răcire și creșterea eficienței costurilor, tehnologia GaN remodelează peisajul surselor de energie a centrelor de date. Combinația dintre IA generativă și tehnologia GaN va crea un viitor mai eficient, durabil și mai robust pentru centrele de date.

În calitate de lider de afaceri și de ferm avocat al mediului, Jim Witham consideră că progresul rapid al tehnologiei GaN va avea un impact semnificativ asupra diferitelor industrii dependente de putere și va avea implicații profunde asupra economiei globale. De asemenea, este de acord cu previziunile pieței conform cărora veniturile din semiconductori de putere GaN vor ajunge la 6 miliarde de dolari în următorii cinci ani, menționând că tehnologia GaN oferă avantaje și oportunități unice în competiția cu SiC.

Cum se compară GaN cu SiC în ceea ce privește avantajul competitiv?

În trecut, au existat unele concepții greșite despre semiconductorii de putere GaN, mulți crezând că sunt mai potriviti pentru aplicațiile de încărcare din electronicele de larg consum. Cu toate acestea, distincția principală dintre GaN și SiC constă în aplicațiile lor în domeniul de tensiune. GaN are performanțe mai bune în aplicații de joasă și medie tensiune, în timp ce SiC este utilizat în principal pentru aplicații de înaltă tensiune care depășesc 1200V. Cu toate acestea, alegerea dintre aceste două materiale implică luarea în considerare a tensiunii, performanței și factorilor de cost.

De exemplu, la expoziția PCIM Europe din 2023, GaN Systems a prezentat soluții GaN care au demonstrat progrese semnificative în densitatea și eficiența puterii. În comparație cu modelele de tranzistori SiC, încărcătoarele de bord de 11kW/800V pe bază de GaN (OBC) au obținut o creștere cu 36% a densității de putere și o reducere cu 15% a costurilor materialelor. Acest design integrează, de asemenea, o topologie de condensator zburător cu trei niveluri într-o configurație PFC totem-pole fără punte și tehnologia de punte activă dublă, reducând stresul de tensiune cu 50% folosind tranzistori GaN.

În cele trei aplicații cheie ale vehiculelor electrice - încărcătoare de bord (OBC), convertoare DC-DC și invertoare de tracțiune - GaN Systems a colaborat cu Toyota pentru a dezvolta un prototip de mașină integral GaN, oferind soluții OBC gata de producție pentru startup-ul american de vehicule electrice. Canoo și a colaborat cu Vitesco Technologies pentru a dezvolta convertoare GaN DC-DC pentru sisteme de alimentare EV de 400 V și 800 V, oferind mai multe opțiuni pentru producătorii de automobile.

Jim Witham consideră că clienții care se bazează în prezent pe SiC vor trece rapid la GaN din două motive: disponibilitatea limitată și costul ridicat al materialelor. Pe măsură ce cererea de energie crește în diverse industrii, de la centre de date la auto, o tranziție timpurie la tehnologia GaN va permite acestor întreprinderi să scurteze timpul necesar pentru a ajunge din urmă concurenților în viitor.

Din perspectiva lanțului de aprovizionare, SiC este mai scump și se confruntă cu constrângeri de aprovizionare în comparație cu GaN. Deoarece GaN este produs pe plachete de siliciu, prețul său scade rapid odată cu creșterea cererii de pe piață, iar prețul și competitivitatea viitoare pot fi prezise mai precis. În schimb, numărul limitat de furnizori de SiC și termenele lungi de livrare, de obicei de până la un an, ar putea crește costurile și ar putea afecta cererea pentru producția de automobile după 2025.

În ceea ce privește scalabilitatea, GaN este scalabil aproape „la infinit”, deoarece poate fi fabricat pe plăci de siliciu folosind același echipament ca miliarde de dispozitive CMOS. GaN poate fi produs în curând pe wafer-uri de 8 inchi, 12 inci și chiar 15 inchi, în timp ce MOSFET-urile SiC sunt fabricate de obicei pe wafer-uri de 4 inchi sau 6 inchi și abia încep să treacă la wafer-uri de 8 inchi.

În ceea ce privește performanța tehnică, GaN este în prezent cel mai rapid dispozitiv de comutare a puterii din lume, oferind o densitate de putere și o eficiență de ieșire mai mare decât alte dispozitive semiconductoare. Acest lucru aduce beneficii semnificative consumatorilor și întreprinderilor, fie că sunt dispozitive de dimensiuni mai mici, viteze de încărcare mai mari sau costuri reduse de răcire și consum de energie pentru centrele de date. GaN prezintă avantaje enorme.

Sistemele construite cu GaN demonstrează o densitate de putere semnificativ mai mare în comparație cu SiC. Pe măsură ce adoptarea GaN se extinde, apar în mod continuu noi produse de sisteme de alimentare cu dimensiuni mai mici, în timp ce SiC nu poate atinge același nivel de miniaturizare. Potrivit GaN Systems, performanța dispozitivelor lor din prima generație a depășit-o deja pe cea a celor mai recente dispozitive semiconductoare SiC din a cincea generație. Pe măsură ce performanța GaN se îmbunătățește de 5 până la 10 ori pe termen scurt, este de așteptat ca acest decalaj de performanță să se extindă.

În plus, dispozitivele GaN posedă avantaje semnificative, cum ar fi încărcarea scăzută a porții, recuperarea inversă zero și capacitatea de ieșire plată, permițând performanțe de comutare de înaltă calitate. În aplicațiile de tensiune medie până la joasă sub 1200 V, pierderile de comutare ale GaN sunt de cel puțin trei ori mai mici decât SiC. Din punct de vedere al frecvenței, majoritatea modelelor pe bază de siliciu funcționează în prezent între 60 kHz și 300 kHz. Deși SiC s-a îmbunătățit în frecvență, îmbunătățirile GaN sunt mai pronunțate, atingând 500 kHz și frecvențe mai mari.

Deoarece SiC este utilizat în mod obișnuit pentru tensiuni de 1200 V și mai mari cu doar câteva produse potrivite pentru 650 V, aplicarea sa este limitată în anumite modele, cum ar fi electronice de 30-40 V, vehicule hibride de 48 V și centre de date, toate acestea fiind piețe importante. Prin urmare, rolul SiC pe aceste piețe este limitat. GaN, pe de altă parte, excelează în aceste niveluri de tensiune, aducând contribuții semnificative în centrele de date, electronice de larg consum, energie regenerabilă, automobile și sectoare industriale.

Pentru a ajuta inginerii să înțeleagă mai bine diferențele de performanță dintre FET-urile GaN (tranzistori cu efect de câmp) și SiC, GaN Systems a proiectat două surse de alimentare de 650V, 15A folosind SiC și respectiv GaN și a efectuat teste comparative detaliate.

Comparație între GaN și SiC

Comparând GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Tranzistor) cu cel mai bun MOSFET SiC din clasă în aplicații de comutare de mare viteză, s-a constatat că atunci când este utilizat în convertoare DC-DC buck sincrone, convertorul cu GaN E- HEMT a prezentat o eficiență mult mai mare decât cea cu MOSFET SiC. Această comparație demonstrează în mod clar că GaN E-HEMT depășește MOSFET-ul de top SiC în metrici cheie, cum ar fi viteza de comutare, capacitatea parazită, pierderile de comutare și performanța termică. În plus, în comparație cu SiC, GaN E-HEMT prezintă avantaje semnificative în realizarea unor proiecte de convertoare de putere mai compacte și mai eficiente.

De ce ar putea GaN să depășească potențial SiC în anumite condiții?

Astăzi, tehnologia tradițională de siliciu și-a atins limitele și nu poate oferi numeroasele avantaje pe care GaN le posedă, în timp ce aplicația SiC este limitată la scenarii de utilizare specifice. Termenul „în anumite condiții” se referă la limitările acestor materiale în aplicații specifice. Într-o lume care depinde din ce în ce mai mult de electricitate, GaN nu numai că îmbunătățește furnizarea de produse existentă, ci și creează soluții inovatoare care ajută companiile să rămână competitive.

Pe măsură ce semiconductorii de putere GaN tranzitează de la adoptarea timpurie la producția de masă, sarcina principală pentru factorii de decizie în afaceri este să recunoască faptul că semiconductorii de putere GaN pot oferi un nivel mai ridicat de performanță generală. Acest lucru nu numai că ajută clienții să mărească cota de piață și profitabilitatea, ci și reduce efectiv costurile de operare și cheltuielile de capital.

În septembrie a acestui an, Infineon și GaN Systems au lansat împreună o nouă platformă de nitrură de galiu de a patra generație (Gen 4 GaN Power Platform). De la sursa de alimentare a serverului AI de 3,2 kW în 2022 până la platforma actuală de a patra generație, eficiența sa nu numai că depășește standardul de eficiență 80 Plus Titanium, dar densitatea sa de putere a crescut și de la 100W/in³ la 120W/in³. Această platformă nu numai că stabilește noi repere în ceea ce privește eficiența energetică și dimensiunea, dar oferă și performanțe semnificativ superioare.

Pe scurt, fie că este vorba de companii de SiC care achiziționează companii GaN sau de companii GaN care achiziționează companii de SiC, motivația de bază este de a-și extinde piața și domeniile de aplicare. La urma urmei, GaN și SiC aparțin ambele materiale cu bandgap largă (WBG), iar viitoarele materiale semiconductoare de a patra generație, cum ar fi oxidul de galiu (Ga2O3) și antimonidele, vor apărea treptat, creând un ecosistem tehnologic diversificat. Prin urmare, aceste materiale nu se înlocuiesc unele pe altele, ci mai degrabă conduc în mod colectiv creșterea industriei.**