GaN a SiC: koexistencia alebo substitúcia?

Snaha o vyššiu hustotu energie a efektívnosť sa stala hlavnou hnacou silou inovácií vo viacerých odvetviach vrátane dátových centier, obnoviteľnej energie, spotrebnej elektroniky, elektrických vozidiel a technológií autonómneho riadenia. V oblasti materiálov so širokým pásmovým odstupom (WBG) sú v súčasnosti dvoma základnými platformami nitrid gália (GaN) a karbid kremíka (SiC), ktoré sa považujú za kľúčové nástroje vedúce k inovácii výkonových polovodičov. Tieto materiály hlboko transformujú priemysel výkonovej elektroniky, aby uspokojil neustále sa zvyšujúci dopyt po energii.

V skutočnosti niektoré popredné spoločnosti v priemysle SiC tiež aktívne skúmajú technológiu GaN. V marci tohto roku spoločnosť Infineon získala kanadský GaN startup GaN Systems za 830 miliónov dolárov v hotovosti. Podobne spoločnosť ROHM nedávno predstavila svoje najnovšie produkty SiC a GaN na PCIM Asia, s osobitným dôrazom na zariadenia GaN HEMT ich značky EcoGaN. Naopak, v auguste 2022 spoločnosť Navitas Semiconductor, ktorá sa pôvodne zameriavala na technológiu GaN, získala GeneSiC a stala sa jedinou spoločnosťou, ktorá sa venuje portfóliu výkonových polovodičov novej generácie.

GaN a SiC skutočne vykazujú určité prekrývanie vo výkone a scenároch aplikácie. Preto je kľúčové zhodnotiť aplikačný potenciál týchto dvoch materiálov zo systémového hľadiska. Hoci rôzni výrobcovia môžu mať počas procesu výskumu a vývoja svoje vlastné názory, je nevyhnutné ich komplexne posúdiť z viacerých aspektov, vrátane vývojových trendov, materiálových nákladov, výkonu a možností dizajnu.

Aké sú kľúčové trendy v odvetví výkonovej elektroniky, ktoré GaN spĺňa?

Jim Witham, generálny riaditeľ spoločnosti GaN Systems, sa nerozhodol ustúpiť ako ostatní vedúci pracovníci získaných spoločností; namiesto toho pokračuje v častých verejných vystúpeniach. Nedávno vo svojom prejave zdôraznil dôležitosť výkonových polovodičov GaN, pričom poznamenal, že táto technológia pomôže dizajnérom a výrobcom energetických systémov riešiť tri kľúčové trendy, ktoré v súčasnosti transformujú priemysel výkonovej elektroniky, pričom GaN hrá kľúčovú úlohu v každom trende.

Generálny riaditeľ GaN Systems Jim Witham

Po prvé, otázka energetickej účinnosti. Predpokladá sa, že celosvetový dopyt po energii do roku 2050 vzrastie o viac ako 50 %, takže je nevyhnutné optimalizovať energetickú účinnosť a urýchliť prechod na obnoviteľnú energiu. Súčasný prechod sa nezameriava len na energetickú účinnosť, ale rozširuje sa aj na náročnejšie aspekty, ako je energetická nezávislosť a integrácia s bežnou elektrickou sieťou. Technológia GaN ponúka významné výhody v oblasti úspory energie v aplikáciách energie a skladovania. Napríklad solárne mikroinvertory využívajúce GaN môžu generovať viac elektriny; Aplikácia GaN pri konverzii AC-DC a invertoroch môže znížiť plytvanie energiou v batériových skladovacích systémoch až o 50 %.

Po druhé, proces elektrifikácie, najmä v sektore dopravy. Elektrické vozidlá boli vždy stredobodom tohto trendu. Elektrifikácia sa však rozširuje na dvojkolesovú a trojkolesovú dopravu (ako sú bicykle, motocykle a rikše) v husto obývaných mestských oblastiach, najmä v Ázii. Ako tieto trhy dozrievajú, výhody výkonových tranzistorov GaN budú čoraz výraznejšie a GaN bude hrať kľúčovú úlohu pri zlepšovaní kvality života a ochrane životného prostredia.

Napokon, digitálny svet prechádza obrovskými zmenami, aby splnil požiadavky na dáta v reálnom čase a rýchly rozvoj umelej inteligencie (AI). Súčasné technológie konverzie a distribúcie energie v dátových centrách nedokážu držať krok s rýchlo sa zvyšujúcimi požiadavkami, ktoré prináša cloud computing a strojové učenie, najmä aplikácie umelej inteligencie náročné na energiu. Dosiahnutím úspor energie, znížením požiadaviek na chladenie a zvýšením nákladovej efektívnosti technológia GaN pretvára prostredie napájania dátových centier. Kombinácia generatívnej AI a technológie GaN vytvorí pre dátové centrá efektívnejšiu, udržateľnejšiu a robustnejšiu budúcnosť.

Ako obchodný líder a neochvejný obhajca životného prostredia Jim Witham verí, že rýchly pokrok technológie GaN výrazne ovplyvní rôzne odvetvia závislé od energie a bude mať hlboké dôsledky na globálnu ekonomiku. Súhlasí tiež s predpoveďami trhu, že výnosy z výkonových polovodičov GaN dosiahnu v priebehu nasledujúcich piatich rokov 6 miliárd USD, pričom poznamenáva, že technológia GaN ponúka jedinečné výhody a príležitosti v konkurencii so SiC.

Ako sa GaN porovnáva so SiC z hľadiska konkurenčnej výhody?

V minulosti existovali určité mylné predstavy o výkonových polovodičoch GaN, pričom mnohí verili, že sú vhodnejšie na nabíjacie aplikácie v spotrebnej elektronike. Primárny rozdiel medzi GaN a SiC však spočíva v ich aplikáciách napäťového rozsahu. GaN funguje lepšie v aplikáciách nízkeho a stredného napätia, zatiaľ čo SiC sa používa hlavne pre vysokonapäťové aplikácie presahujúce 1200 V. Napriek tomu výber medzi týmito dvoma materiálmi zahŕňa zváženie napätia, výkonu a nákladových faktorov.

Napríklad na výstave PCIM Europe v roku 2023 spoločnosť GaN Systems predstavila riešenia GaN, ktoré preukázali významný pokrok v hustote výkonu a účinnosti. V porovnaní s konštrukciami SiC tranzistorov dosiahli palubné nabíjačky (OBC) na báze GaN 11 kW/800 V 36 % zvýšenie hustoty výkonu a 15 % zníženie nákladov na materiál. Tento dizajn tiež integruje trojúrovňovú topológiu lietajúceho kondenzátora v konfigurácii bezmostíkového totemového pólu PFC a technológiu duálneho aktívneho mostíka, čím sa znižuje napäťové napätie o 50 % pomocou tranzistorov GaN.

V troch kľúčových aplikáciách elektrických vozidiel – palubných nabíjačkách (OBC), DC-DC konvertoroch a trakčných invertoroch – spolupracovala spoločnosť GaN Systems s Toyotou na vývoji prototypu auta s celoGaN, ktorý poskytuje OBC riešenia pripravené na výrobu pre americký startup EV. Canoo a v spolupráci s Vitesco Technologies vyvinuli konvertory GaN DC-DC pre napájacie systémy 400 V a 800 V EV, ktoré ponúkajú výrobcom automobilov viac možností.

Jim Witham verí, že zákazníci, ktorí sú v súčasnosti závislí na SiC, pravdepodobne rýchlo prejdú na GaN z dvoch dôvodov: obmedzená dostupnosť a vysoké náklady na materiály. Keďže nároky na energiu sa zvyšujú v rôznych odvetviach, od dátových centier až po automobilový priemysel, skorý prechod na technológiu GaN umožní týmto podnikom skrátiť čas potrebný na dobehnutie konkurentov v budúcnosti.

Z pohľadu dodávateľského reťazca je SiC drahší a v porovnaní s GaN čelí obmedzeniam dodávok. Keďže sa GaN vyrába na kremíkových doštičkách, jeho cena rýchlo klesá s rastúcim dopytom na trhu a budúcu cenu a konkurencieschopnosť možno predpovedať presnejšie. Naopak, obmedzený počet dodávateľov SiC a dlhé dodacie lehoty, zvyčajne až jeden rok, by mohli zvýšiť náklady a ovplyvniť dopyt po automobilovej výrobe po roku 2025.

Pokiaľ ide o škálovateľnosť, GaN je takmer „nekonečne“ škálovateľný, pretože ho možno vyrábať na kremíkových doštičkách pomocou rovnakého vybavenia ako miliardy zariadení CMOS. GaN možno čoskoro vyrábať na 8-palcových, 12-palcových a dokonca 15-palcových doštičkách, zatiaľ čo SiC MOSFETy sa zvyčajne vyrábajú na 4-palcových alebo 6-palcových doštičkách a práve začínajú prechádzať na 8-palcové doštičky.

Pokiaľ ide o technický výkon, GaN je v súčasnosti najrýchlejším zariadením na prepínanie výkonu na svete, ktoré ponúka vyššiu hustotu výkonu a výstupnú účinnosť ako iné polovodičové zariadenia. To prináša spotrebiteľom a firmám značné výhody, či už ide o menšie veľkosti zariadení, vyššiu rýchlosť nabíjania alebo zníženie nákladov na chladenie a spotrebu energie pre dátové centrá. GaN má obrovské výhody.

Systémy postavené s GaN vykazujú výrazne vyššiu hustotu výkonu v porovnaní s SiC. Ako sa zavádzanie GaN rozširuje, neustále sa objavujú nové produkty energetických systémov s menšími veľkosťami, zatiaľ čo SiC nemôže dosiahnuť rovnakú úroveň miniaturizácie. Podľa GaN Systems výkon ich zariadení prvej generácie už prekonal výkon najnovších SiC polovodičových zariadení piatej generácie. Vzhľadom na to, že výkon GaN sa v krátkodobom horizonte zlepší 5 až 10-krát, očakáva sa, že sa táto výkonnostná medzera prehĺbi.

Zariadenia GaN majú navyše významné výhody, ako je nízky náboj hradla, nulové spätné zotavenie a plochá výstupná kapacita, čo umožňuje vysokokvalitný spínací výkon. V aplikáciách stredného až nízkeho napätia pod 1200 V sú spínacie straty GaN najmenej trikrát nižšie ako SiC. Z hľadiska frekvencie väčšina návrhov na báze kremíka v súčasnosti pracuje medzi 60 kHz a 300 kHz. Aj keď sa SiC zlepšil vo frekvencii, zlepšenia GaN sú výraznejšie a dosahujú 500 kHz a vyššie frekvencie.

Keďže SiC sa zvyčajne používa pre napätie 1 200 V a vyššie len s niekoľkými produktmi vhodnými pre 650 V, jeho použitie je obmedzené v určitých dizajnoch, ako je 30-40 V spotrebná elektronika, 48 V hybridné vozidlá a dátové centrá, ktoré sú všetky dôležité trhy. Preto je úloha SiC na týchto trhoch obmedzená. Na druhej strane GaN vyniká v týchto napäťových úrovniach a významne prispieva v dátových centrách, spotrebnej elektronike, obnoviteľnej energii, automobilovom a priemyselnom sektore.

Aby inžinieri lepšie pochopili výkonnostné rozdiely medzi GaN FET (Field Effect Tranzistormi) a SiC, GaN Systems navrhol dva 650V, 15A napájacie zdroje s použitím SiC a GaN a vykonal podrobné porovnávacie testy.

GaN vs SiC Vzájomné porovnanie

Porovnaním GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) s najlepším SiC MOSFET vo svojej triede vo vysokorýchlostných spínacích aplikáciách sa zistilo, že pri použití v synchrónnych buck DC-DC meničoch je menič s GaN E- HEMT vykazoval oveľa vyššiu účinnosť ako ten so SiC MOSFET. Toto porovnanie jasne ukazuje, že GaN E-HEMT prekonáva špičkový SiC MOSFET v kľúčových metrikách, ako je rýchlosť spínania, parazitná kapacita, straty pri spínaní a tepelný výkon. Okrem toho, v porovnaní so SiC, GaN E-HEMT vykazuje významné výhody pri dosahovaní kompaktnejších a efektívnejších konštrukcií výkonových meničov.

Prečo by mohol GaN potenciálne prekonať SiC za určitých podmienok?

Tradičná kremíková technológia dnes dosiahla svoje limity a nemôže ponúknuť množstvo výhod, ktoré má GaN, zatiaľ čo aplikácia SiC je obmedzená na špecifické scenáre použitia. Termín „za určitých podmienok“ sa vzťahuje na obmedzenia týchto materiálov v špecifických aplikáciách. Vo svete, ktorý sa čoraz viac spolieha na elektrinu, GaN nielen zlepšuje existujúcu ponuku produktov, ale vytvára aj inovatívne riešenia, ktoré pomáhajú podnikom zostať konkurencieschopnými.

Keďže výkonové polovodiče GaN prechádzajú od skorého prijatia k masovej výrobe, primárnou úlohou pre podnikateľov s rozhodovacími právomocami je uznať, že výkonové polovodiče GaN môžu ponúknuť vyššiu úroveň celkového výkonu. To nielen pomáha zákazníkom zvýšiť podiel na trhu a ziskovosť, ale tiež efektívne znižuje prevádzkové náklady a kapitálové výdavky.

V septembri tohto roku Infineon a GaN Systems spoločne spustili novú štvrtú generáciu platformy Gallium Nitride (Gen 4 GaN Power Platform). Od napájacieho zdroja AI servera s výkonom 3,2 kW v roku 2022 až po súčasnú platformu štvrtej generácie, jeho účinnosť nielenže prekonáva štandard účinnosti 80 Plus Titanium, ale jeho hustota výkonu sa tiež zvýšila zo 100 W/in³ na 120 W/in³. Táto platforma nielen stanovuje nové štandardy v oblasti energetickej účinnosti a veľkosti, ale ponúka aj výrazne lepší výkon.

Stručne povedané, či už ide o spoločnosti SiC, ktoré získavajú spoločnosti GaN alebo spoločnosti GaN, ktoré získavajú spoločnosti SiC, základnou motiváciou je rozšírenie ich trhu a aplikačných oblastí. Napokon, GaN aj SiC patria k materiálom so širokým pásmom (WBG) a postupne sa objavia budúce polovodičové materiály štvrtej generácie, ako je oxid gália (Ga2O3) a antimonidy, čím sa vytvorí diverzifikovaný technologický ekosystém. Preto sa tieto materiály navzájom nenahrádzajú, ale skôr spoločne poháňajú rast odvetvia.**