GaN и SiC: Соживот или замена?

Притисокот за поголема густина и ефикасност на моќноста стана примарен двигател на иновациите во повеќе индустрии, вклучувајќи центри за податоци, обновливи извори на енергија, потрошувачка електроника, електрични возила и технологии за автономно возење. Во доменот на материјалите со широк опсег (WBG), галиум нитрид (GaN) и силициум карбид (SiC) во моментов се двете основни платформи, кои се гледаат како клучни алатки кои водат иновации во енергетските полупроводници. Овие материјали длабоко ја трансформираат индустријата за енергетска електроника за да се справи со постојано зголемената побарувачка за енергија.

Всушност, некои водечки компании во индустријата SiC исто така активно ја истражуваат GaN технологијата. Во март оваа година, Infineon го купи канадскиот стартап GaN GaN Systems за 830 милиони долари во готовина. Исто така, ROHM неодамна ги прикажа своите најнови производи SiC и GaN во PCIM Азија, со посебен акцент на уредите GaN HEMT на нивниот бренд EcoGaN. Спротивно на тоа, во август 2022 година, Navitas Semiconductor, кој првично се фокусираше на технологијата GaN, го купи GeneSiC, станувајќи единствената компанија посветена на портфолиото на енергетски полупроводници од следната генерација.

Навистина, GaN и SiC покажуваат одредено преклопување во сценаријата за перформанси и примена. Затоа, од клучно значење е да се оцени апликативниот потенцијал на овие два материјали од системска перспектива. Иако различни производители може да имаат свои гледишта за време на процесот на истражување и развој, од суштинско значење е сеопфатно да се проценат од повеќе аспекти, вклучувајќи ги развојните трендови, трошоците за материјали, перформансите и можностите за дизајн.

Кои се клучните трендови во индустријата за енергетска електроника што ги исполнува GaN?

Џим Висам, извршен директор на GaN Systems, не избра да се повлече како другите директори на купените компании; наместо тоа, тој продолжува да има чести јавни настапи. Неодамна, во својот говор, тој ја истакна важноста на полупроводниците за моќност GaN, истакнувајќи дека оваа технологија ќе им помогне на дизајнерите и производителите на електроенергетските системи да се справат со три клучни трендови кои моментално ја трансформираат индустријата за енергетска електроника, при што GaN игра клучна улога во секој тренд.

Извршниот директор на GaN Systems, Џим Витам

Прво, прашањето за енергетската ефикасност. Се предвидува дека глобалната побарувачка за енергија ќе се зголеми за над 50% до 2050 година, што ќе го направи императив да се оптимизира енергетската ефикасност и да се забрза транзицијата кон обновлива енергија. Тековната транзиција не само што се фокусира на енергетската ефикасност, туку се проширува и на попредизвикувачки аспекти како што се енергетската независност и интеграцијата со главната електрична мрежа. GaN технологијата нуди значителни предности за заштеда на енергија во апликациите за енергија и складирање. На пример, соларните микроинвертери кои користат GaN можат да генерираат повеќе електрична енергија; Примената на GaN во конверзија на AC-DC и инвертори може да го намали трошењето енергија во системите за складирање батерии до 50%.

Второ, процесот на електрификација, особено во транспортниот сектор. Електричните возила отсекогаш биле во фокусот на овој тренд. Сепак, електрификацијата се проширува на транспорт на две и три тркала (како што се велосипеди, мотоцикли и рикши) во густо населените урбани области, особено во Азија. Како што созреваат овие пазари, предностите на енергетските транзистори GaN ќе станат поизразени, а GaN ќе игра клучна улога во подобрувањето на квалитетот на животот и заштитата на животната средина.

Конечно, дигиталниот свет претрпува огромни промени за да ги задоволи барањата за податоци во реално време и брзиот развој на вештачката интелигенција (ВИ). Тековните технологии за конверзија и дистрибуција на енергија во центрите за податоци не можат да бидат во чекор со брзо растечките барања што ги носат облак компјутерите и машинското учење, особено апликациите за вештачка интелигенција жедни за енергија. Со постигнување заштеда на енергија, намалување на барањата за ладење и подобрување на исплатливоста, технологијата GaN го преобликува пејзажот за напојување на центрите за податоци. Комбинацијата на генеративна AI и GaN технологија ќе создаде поефикасна, одржлива и поцврста иднина за центрите за податоци.

Како бизнис лидер и верен застапник за заштита на животната средина, Џим Висам верува дека брзиот напредок на технологијата GaN значително ќе влијае на различните индустрии зависни од моќта и ќе има длабоки импликации врз глобалната економија. Тој, исто така, се согласува со прогнозите на пазарот дека приходот од полупроводниците на GaN ќе достигне 6 милијарди долари во следните пет години, истакнувајќи дека технологијата GaN нуди уникатни предности и можности во конкуренција со SiC.

Како GaN се споредува со SiC во однос на конкурентната предност?

Во минатото, имаше некои заблуди за полупроводниците за моќност GaN, при што многумина веруваа дека тие се посоодветни за полнење апликации во електрониката за широка потрошувачка. Сепак, примарната разлика помеѓу GaN и SiC лежи во нивната примена на опсег на напон. GaN работи подобро во апликации со низок и среден напон, додека SiC главно се користи за апликации со висок напон над 1200V. Сепак, изборот помеѓу овие два материјали вклучува разгледување на факторите на напон, перформанси и трошоци.

На пример, на изложбата PCIM Европа во 2023 година, GaN Systems ги прикажа GaN решенијата кои покажаа значителен напредок во густината и ефикасноста на моќноста. Во споредба со дизајните на транзисторот SiC, вградените полначи од 11 kW/800V (OBC) базирани на GaN постигнаа 36% зголемување на густината на моќноста и 15% намалување на трошоците за материјали. Овој дизајн, исто така, интегрира топологија на летечки кондензатор на три нивоа во конфигурација на PFC со тотем-пол без мост и технологија на двоен активен мост, намалувајќи го напонскиот стрес за 50% со користење на транзистори GaN.

Во трите клучни апликации на електричните возила - вградени полначи (OBC), DC-DC конвертори и влечни инвертери - GaN Systems соработуваше со Toyota за да развие прототип на автомобил целосно GaN, обезбедувајќи OBC решенија подготвени за производство за американскиот стартап ЕВ Canoo и соработуваше со Vitesco Technologies за развој на GaN DC-DC конвертори за 400V и 800V EV системи за напојување, нудејќи повеќе избор за производителите на автомобили.

Џим Висам верува дека клиентите кои моментално се потпираат на SiC веројатно брзо ќе се префрлат на GaN поради две причини: ограничената достапност и високата цена на материјалите. Како што се зголемуваат барањата за електрична енергија во различни индустрии, од центри за податоци до автомобилски, раната транзиција кон технологијата GaN ќе им овозможи на овие претпријатија да го скратат времето потребно за да ги достигнат конкурентите во иднина.

Од гледна точка на синџирот на снабдување, SiC е поскап и се соочува со ограничувања за снабдување во споредба со GaN. Бидејќи GaN се произведува на силиконски наполитанки, неговата цена брзо се намалува со зголемувањето на побарувачката на пазарот, а идната цена и конкурентноста може попрецизно да се предвидат. Спротивно на тоа, ограничениот број на добавувачи на SiC и долгото време на испорака, обично до една година, може да ги зголемат трошоците и да влијаат на побарувачката за автомобилско производство по 2025 година.

Во однос на приспособливоста, GaN е речиси „бесконечно“ скалабилен бидејќи може да се произведува на силиконски наполитанки користејќи ја истата опрема како и милијарди CMOS уреди. GaN наскоро може да се произведува на 8-инчни, 12-инчни, па дури и 15-инчни обланди, додека SiC MOSFET обично се произведуваат на наполитанки од 4 инчи или 6 инчи и штотуку почнуваат да преминуваат кон наполитанки од 8 инчи.

Во однос на техничките перформанси, GaN моментално е најбрзиот уред за префрлување на енергија во светот, кој нуди поголема густина на енергија и излезна ефикасност од другите полупроводнички уреди. Ова носи значителни придобивки за потрошувачите и бизнисите, без разлика дали се во помали димензии на уреди, поголеми брзини на полнење или намалени трошоци за ладење и потрошувачка на енергија за центрите за податоци. GaN покажува огромни предности.

Системите изградени со GaN покажуваат значително поголема густина на моќност во споредба со SiC. Како што се шири усвојувањето на GaN, постојано се појавуваат нови производи на електроенергетскиот систем со помали димензии, додека SiC не може да го постигне истото ниво на минијатуризација. Според GaN Systems, перформансите на нивните уреди од прва генерација веќе ги надминале оние на најновите полупроводнички уреди од петтата генерација на SiC. Бидејќи перформансите на GaN се подобруваат за 5 до 10 пати на краток рок, овој јаз во перформансите се очекува да се зголеми.

Дополнително, уредите GaN поседуваат значителни предности како што се ниско полнење на портата, нулта обратно враќање и рамна излезна капацитивност, овозможувајќи висококвалитетни перформанси на префрлување. Кај апликациите со среден до низок напон под 1200V, загубите на GaN при прекинување се најмалку три пати помали од SiC. Од фреквентна перспектива, повеќето дизајни базирани на силикон моментално работат помеѓу 60 kHz и 300 kHz. Иако SiC се подобри во фреквенцијата, подобрувањата на GaN се поизразени, постигнувајќи 500 kHz и повисоки фреквенции.

Бидејќи SiC вообичаено се користи за 1200V и повисоки напони со само неколку производи погодни за 650V, неговата примена е ограничена во одредени дизајни, како што се потрошувачка електроника од 30-40V, хибридни возила од 48V и центри за податоци, од кои сите се важни пазари. Затоа, улогата на SiC на овие пазари е ограничена. GaN, од друга страна, се истакнува во овие напонски нивоа, давајќи значителен придонес во центрите за податоци, потрошувачката електроника, обновливите извори на енергија, автомобилскиот и индустрискиот сектор.

За да им помогне на инженерите подобро да ги разберат разликите во перформансите помеѓу GaN FET (Транзистори со ефект на поле) и SiC, GaN Systems дизајнираше две напојувања од 650V, 15A користејќи SiC и GaN соодветно, и спроведе детални компаративни тестови.

GaN vs SiC Споредба од глава до глава

Со споредување на GaN E-HEMT (Подобрена транзистор со висока електронска мобилност) со најдобриот SiC MOSFET во класата во апликациите за префрлување со голема брзина, беше откриено дека кога се користи во синхрони DC-DC конвертори, конверторот со GaN E- HEMT покажа многу поголема ефикасност од онаа со SiC MOSFET. Оваа споредба јасно покажува дека GaN E-HEMT го надминува врвниот SiC MOSFET во клучните метрики како што се брзината на префрлување, паразитскиот капацитет, загубите при префрлување и топлинските перформанси. Дополнително, во споредба со SiC, GaN E-HEMT покажува значителни предности во постигнувањето на покомпактни и поефикасни дизајни на конвертори на моќност.

Зошто GaN може потенцијално да го надмине SiC под одредени услови?

Денес, традиционалната силиконска технологија ги достигна своите граници и не може да ги понуди бројните предности што ги поседува GaN, додека апликацијата на SiC е ограничена на специфични сценарија за употреба. Терминот „под одредени услови“ се однесува на ограничувањата на овие материјали во специфични примени. Во свет кој се повеќе се потпира на електрична енергија, GaN не само што го подобрува постојното снабдување со производи туку и создава иновативни решенија кои им помагаат на бизнисите да останат конкурентни.

Како што GaN енергетските полупроводници преминуваат од рано усвојување кон масовно производство, примарна задача за деловните одлуки е да препознаат дека полупроводниците за моќност GaN можат да понудат повисоко ниво на севкупни перформанси. Ова не само што им помага на клиентите да го зголемат уделот на пазарот и профитабилноста, туку и ефективно ги намалува оперативните трошоци и капиталните расходи.

Во септември оваа година, Infineon и GaN Systems заеднички лансираа нова платформа Галиум нитрид од четвртата генерација (Gen 4 GaN Power Platform). Од напојувањето на серверот со вештачка интелигенција од 3,2 kW во 2022 година до сегашната платформа од четвртата генерација, неговата ефикасност не само што го надминува стандардот за ефикасност 80 Plus Titanium, туку и неговата густина на моќност се зголеми од 100W/in³ на 120W/in³. Оваа платформа не само што поставува нови одредници во енергетската ефикасност и големина, туку нуди и значително супериорни перформанси.

Накратко, без разлика дали се работи за SiC компании кои стекнуваат компании од GaN или компании за GaN кои ги преземаат компаниите за SiC, основната мотивација е да ги прошират нивните полиња на пазарот и апликации. На крајот на краиштата, GaN и SiC припаѓаат на материјалите со широк опсег (WBG), а идните полупроводнички материјали од четвртата генерација како Галиум оксид (Ga2O3) и антимониди постепено ќе се појават, создавајќи разновиден технолошки екосистем. Затоа, овие материјали не се заменуваат еден со друг, туку колективно го поттикнуваат растот на индустријата.**