GaN in SiC: soobstoj ali zamenjava?

Prizadevanje za večjo gostoto moči in učinkovitost je postalo glavno gonilo inovacij v več panogah, vključno s podatkovnimi centri, obnovljivo energijo, potrošniško elektroniko, električnimi vozili in tehnologijami za avtonomno vožnjo. Na področju materialov s širokopasovno vrzeljo (WBG) sta galijev nitrid (GaN) in silicijev karbid (SiC) trenutno dve ključni platformi, ki veljata za ključni orodji, ki vodita k inovacijam močnostnih polprevodnikov. Ti materiali temeljito preoblikujejo industrijo močnostne elektronike, da bi odgovorili na vedno večje povpraševanje po energiji.

Pravzaprav tudi nekatera vodilna podjetja v industriji SiC aktivno raziskujejo tehnologijo GaN. Marca letos je Infineon kupil kanadsko GaN zagonsko podjetje GaN Systems za 830 milijonov dolarjev v gotovini. Podobno je ROHM nedavno predstavil svoje najnovejše izdelke iz SiC in GaN na PCIM Asia, s posebnim poudarkom na napravah GaN HEMT njihove znamke EcoGaN. Nasprotno pa je avgusta 2022 Navitas Semiconductor, ki se je prvotno osredotočal na tehnologijo GaN, kupil GeneSiC in tako postal edino podjetje, namenjeno portfelju močnostnih polprevodnikov naslednje generacije.

Dejansko se GaN in SiC nekoliko prekrivata v scenarijih delovanja in uporabe. Zato je ključnega pomena oceniti potencial uporabe teh dveh materialov s sistemskega vidika. Čeprav imajo lahko različni proizvajalci svoja stališča med postopkom raziskav in razvoja, jih je bistveno celovito oceniti z več vidikov, vključno z razvojnimi trendi, stroški materiala, zmogljivostjo in priložnostmi za oblikovanje.

Kateri so ključni trendi v industriji močnostne elektronike, ki jih GaN izpolnjuje?

Jim Witham, izvršni direktor GaN Systems, se ni odločil umakniti kot drugi direktorji prevzetih podjetij; namesto tega se še naprej pogosto pojavlja v javnosti. Nedavno je v govoru poudaril pomen močnostnih polprevodnikov GaN, pri čemer je opozoril, da bo ta tehnologija oblikovalcem in proizvajalcem elektroenergetskih sistemov pomagala obravnavati tri ključne trende, ki trenutno spreminjajo industrijo močnostne elektronike, pri čemer ima GaN ključno vlogo v vsakem trendu.

Direktor GaN Systems Jim Witham

Prvič, vprašanje energetske učinkovitosti. Predvideva se, da bo svetovno povpraševanje po energiji do leta 2050 naraslo za več kot 50 %, zaradi česar je nujno optimizirati energetsko učinkovitost in pospešiti prehod na obnovljivo energijo. Trenutni prehod se ne osredotoča le na energetsko učinkovitost, ampak se širi tudi na bolj zahtevne vidike, kot sta energetska neodvisnost in povezovanje z glavnim električnim omrežjem. Tehnologija GaN ponuja znatne prednosti pri varčevanju z energijo v aplikacijah za energijo in shranjevanje. Na primer, sončni mikropretvorniki, ki uporabljajo GaN, lahko proizvedejo več električne energije; Uporaba GaN pri pretvorbi AC-DC in inverterjih lahko zmanjša izgubo energije v sistemih za shranjevanje baterij do 50 %.

Drugič, proces elektrifikacije, zlasti v prometnem sektorju. Električna vozila so bila vedno v središču tega trenda. Vendar pa se elektrifikacija širi na dvokolesni in trikolesni prevoz (kot so kolesa, motorna kolesa in rikše) v gosto poseljenih mestnih območjih, zlasti v Aziji. Ko bodo ti trgi dozoreli, bodo prednosti močnostnih tranzistorjev GaN postale bolj vidne, GaN pa bo imel ključno vlogo pri izboljšanju kakovosti življenja in varstvu okolja.

Nazadnje, digitalni svet doživlja velike spremembe, da bi izpolnil zahteve po podatkih v realnem času in hiter razvoj umetne inteligence (AI). Trenutne tehnologije za pretvorbo in distribucijo energije v podatkovnih centrih ne morejo slediti hitro naraščajočim zahtevam, ki jih prinašata računalništvo v oblaku in strojno učenje, zlasti aplikacije AI, ki požrejo energijo. Z doseganjem prihrankov energije, zmanjšanjem potreb po hlajenju in izboljšanjem stroškovne učinkovitosti tehnologija GaN preoblikuje napajalno okolje podatkovnih centrov. Kombinacija generativne AI in GaN tehnologije bo ustvarila bolj učinkovito, trajnostno in robustno prihodnost podatkovnih centrov.

Jim Witham kot poslovni vodja in odločen zagovornik okolja verjame, da bo hiter napredek tehnologije GaN znatno vplival na različne industrije, odvisne od energije, in imel globoke posledice za svetovno gospodarstvo. Prav tako se strinja s tržnimi napovedmi, da bodo prihodki od močnostnih polprevodnikov GaN v naslednjih petih letih dosegli 6 milijard dolarjev, pri čemer ugotavlja, da tehnologija GaN ponuja edinstvene prednosti in priložnosti v konkurenci s SiC.

Kako se GaN primerja s SiC v smislu konkurenčne prednosti?

V preteklosti je bilo nekaj napačnih predstav o močnostnih polprevodnikih GaN, pri čemer so mnogi verjeli, da so bolj primerni za polnilne aplikacije v potrošniški elektroniki. Vendar pa je primarna razlika med GaN in SiC v njunih uporabah v območju napetosti. GaN deluje bolje pri nizko- in srednjenapetostnih aplikacijah, medtem ko se SiC uporablja predvsem za visokonapetostne aplikacije, ki presegajo 1200 V. Kljub temu izbira med tema dvema materialoma vključuje upoštevanje dejavnikov napetosti, zmogljivosti in stroškov.

Na primer, na razstavi PCIM Europe 2023 je GaN Systems predstavil GaN rešitve, ki so pokazale pomemben napredek v gostoti moči in učinkovitosti. V primerjavi z dizajni tranzistorjev SiC so vgrajeni polnilniki 11kW/800V (OBC) na osnovi GaN dosegli 36-odstotno povečanje gostote moči in 15-odstotno zmanjšanje stroškov materiala. Ta zasnova vključuje tudi trinivojsko topologijo letečega kondenzatorja v konfiguraciji PFC brez mostička s totemskim drogom in tehnologijo dvojnega aktivnega mostu, kar zmanjša napetostni stres za 50 % z uporabo GaN tranzistorjev.

Pri treh ključnih aplikacijah električnih vozil – vgrajenih polnilnikih (OBC), pretvornikih DC-DC in vlečnih pretvornikih – je GaN Systems sodeloval s Toyoto pri razvoju prototipa avtomobila, ki je v celoti sestavljen iz GaN, in zagotovil rešitve OBC, pripravljene za proizvodnjo, za ameriško zagonsko podjetje EV. Canoo in v partnerstvu z Vitesco Technologies za razvoj GaN DC-DC pretvornikov za 400V in 800V EV napajalne sisteme, ki proizvajalcem avtomobilov ponuja več izbire.

Jim Witham meni, da bodo kupci, ki so trenutno odvisni od SiC, verjetno hitro prešli na GaN iz dveh razlogov: omejene razpoložljivosti in visokih stroškov materialov. Ker se zahteve po energiji povečujejo v različnih panogah, od podatkovnih centrov do avtomobilske industrije, bo zgodnji prehod na tehnologijo GaN tem podjetjem omogočil, da skrajšajo čas, potreben za dohitevanje konkurentov v prihodnosti.

Z vidika dobavne verige je SiC dražji in se sooča z omejitvami pri dobavi v primerjavi z GaN. Ker se GaN proizvaja na silicijevih rezinah, njegova cena hitro pada z naraščajočim povpraševanjem na trgu, prihodnjo ceno in konkurenčnost pa je mogoče natančneje predvideti. Nasprotno pa bi lahko omejeno število dobaviteljev SiC in dolgi dobavni roki, običajno do enega leta, povečali stroške in vplivali na povpraševanje po avtomobilski proizvodnji po letu 2025.

Kar zadeva razširljivost, je GaN skoraj "neskončno" razširljiv, ker ga je mogoče izdelati na silicijevih rezinah z uporabo iste opreme kot milijarde naprav CMOS. GaN bo mogoče kmalu proizvajati na 8-palčnih, 12-palčnih in celo 15-palčnih rezinah, medtem ko so SiC MOSFET-ji običajno izdelani na 4-palčnih ali 6-palčnih rezinah in šele začenjajo prehajati na 8-palčne rezine.

Kar zadeva tehnično zmogljivost, je GaN trenutno najhitrejša preklopna naprava na svetu, ki ponuja večjo gostoto moči in izhodno učinkovitost kot druge polprevodniške naprave. To prinaša znatne koristi za potrošnike in podjetja, ne glede na to, ali gre za manjše velikosti naprav, višje hitrosti polnjenja ali zmanjšane stroške hlajenja in porabo energije za podatkovne centre. GaN ima ogromne prednosti.

Sistemi, zgrajeni z GaN, kažejo znatno večjo gostoto moči v primerjavi s SiC. Ko se sprejemanje GaN širi, se nenehno pojavljajo novi izdelki za elektroenergetski sistem z manjšimi velikostmi, medtem ko SiC ne more doseči enake stopnje miniaturizacije. Po podatkih GaN Systems je zmogljivost njihovih naprav prve generacije že presegla zmogljivost najnovejših polprevodniških naprav SiC pete generacije. Ker se zmogljivost GaN kratkoročno izboljša za 5- do 10-krat, se pričakuje, da se bo ta vrzel v zmogljivosti povečala.

Poleg tega imajo GaN naprave znatne prednosti, kot so nizek naboj vrat, ničelna povratna obnovitev in ravna izhodna kapacitivnost, kar omogoča visokokakovostno preklopno zmogljivost. Pri srednje do nizkonapetostnih aplikacijah pod 1200 V so preklopne izgube GaN vsaj trikrat nižje od SiC. S frekvenčnega vidika večina modelov na osnovi silicija trenutno deluje med 60 kHz in 300 kHz. Čeprav je SiC izboljšal frekvenco, so izboljšave GaN bolj izrazite in dosegajo 500 kHz in višje frekvence.

Ker se SiC običajno uporablja za 1200 V in višje napetosti z le nekaj izdelki, ki so primerni za 650 V, je njegova uporaba omejena v nekaterih izvedbah, kot so potrošniška elektronika 30–40 V, 48 V hibridna vozila in podatkovni centri, ki so vsi pomembni trgi. Zato je vloga SiC na teh trgih omejena. Po drugi strani pa se GaN odlikuje pri teh napetostnih ravneh in pomembno prispeva v podatkovnih centrih, potrošniški elektroniki, obnovljivih virih energije, avtomobilski industriji in industriji.

Da bi inženirjem pomagali bolje razumeti razlike v zmogljivosti med GaN FET (tranzistorji z učinkom polja) in SiC, je GaN Systems zasnoval dva napajalnika 650 V, 15 A z uporabo SiC oziroma GaN ter opravil podrobne primerjalne teste.

Primerjava med GaN in SiC

S primerjavo GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) z najboljšim v razredu SiC MOSFET v aplikacijah za hitro preklapljanje je bilo ugotovljeno, da pri uporabi v sinhronih pretvornikih DC-DC pretvornik z GaN E- HEMT je pokazal veliko večjo učinkovitost kot tisti s SiC MOSFET. Ta primerjava jasno dokazuje, da GaN E-HEMT prekaša vrhunski SiC MOSFET v ključnih meritvah, kot so preklopna hitrost, parazitska kapacitivnost, preklopne izgube in toplotna zmogljivost. Poleg tega GaN E-HEMT kaže pomembne prednosti v primerjavi s SiC pri doseganju bolj kompaktnih in učinkovitejših zasnov pretvornikov moči.

Zakaj bi lahko GaN potencialno prekašal SiC pod določenimi pogoji?

Danes je tradicionalna tehnologija silicija dosegla svoje meje in ne more ponuditi številnih prednosti, ki jih ima GaN, medtem ko je uporaba SiC-ja omejena na posebne scenarije uporabe. Izraz "pod določenimi pogoji" se nanaša na omejitve teh materialov v posebnih aplikacijah. V svetu, ki je vse bolj odvisen od električne energije, GaN ne le izboljšuje obstoječo ponudbo izdelkov, temveč ustvarja tudi inovativne rešitve, ki podjetjem pomagajo ostati konkurenčna.

Ko močnostni polprevodniki GaN prehajajo iz zgodnje uporabe v masovno proizvodnjo, je primarna naloga poslovnih odločevalcev spoznati, da lahko močnostni polprevodniki GaN ponudijo višjo raven celotne zmogljivosti. To strankam ne le pomaga povečati tržni delež in dobičkonosnost, ampak tudi učinkovito zmanjša operativne stroške in kapitalske izdatke.

Septembra letos sta Infineon in GaN Systems skupaj lansirala novo platformo galijevega nitrida četrte generacije (Gen 4 GaN Power Platform). Od napajalnika strežnika z umetno inteligenco z močjo 3,2 kW leta 2022 do trenutne platforme četrte generacije njegova učinkovitost ne le presega standard učinkovitosti 80 Plus Titanium, ampak se je tudi njegova gostota moči povečala s 100 W/in³ na 120 W/in³. Ta platforma ne postavlja le novih meril na področju energetske učinkovitosti in velikosti, temveč ponuja tudi znatno vrhunsko zmogljivost.

Če povzamemo, ne glede na to, ali podjetja SiC prevzemajo podjetja GaN ali podjetja GaN prevzemajo podjetja SiC, je osnovna motivacija razširiti njihov trg in področja uporabe. Navsezadnje GaN in SiC spadata med materiale s širokim pasovnim razmikom (WBG) in prihodnji polprevodniški materiali četrte generacije, kot sta galijev oksid (Ga2O3) in antimonidi, se bodo postopoma pojavili, kar bo ustvarilo raznolik tehnološki ekosistem. Zato ti materiali ne nadomeščajo drug drugega, temveč skupno spodbujajo rast industrije.**