GaN і SiC: співіснування чи заміна?

Прагнення до більш високої щільності електроенергії та ефективності стало основним рушієм інновацій у багатьох галузях, включаючи центри обробки даних, відновлювані джерела енергії, побутову електроніку, електромобілі та технології автономного водіння. У сфері матеріалів з широкою забороненою зоною (WBG) нітрид галію (GaN) і карбід кремнію (SiC) наразі є двома основними платформами, які розглядаються як ключові інструменти, що є провідними інноваційними силовими напівпровідниками. Ці матеріали глибоко трансформують галузь силової електроніки, щоб задовольнити постійно зростаючий попит на електроенергію.

Фактично, деякі провідні компанії в галузі SiC також активно вивчають технологію GaN. У березні цього року Infineon придбала канадський стартап GaN GaN Systems за 830 мільйонів доларів готівкою. Подібним чином компанія ROHM нещодавно продемонструвала свої останні продукти з SiC і GaN на виставці PCIM Asia, з особливим наголосом на пристроях GaN HEMT свого бренду EcoGaN. Навпаки, у серпні 2022 року Navitas Semiconductor, яка спочатку була зосереджена на технології GaN, придбала GeneSiC, ставши єдиною компанією, що займається портфоліо силових напівпровідників нового покоління.

Дійсно, GaN і SiC демонструють певне перекриття продуктивності та сценаріїв застосування. Тому вкрай важливо оцінити потенціал застосування цих двох матеріалів з точки зору системи. Незважаючи на те, що різні виробники можуть мати власні точки зору під час процесу НДДКР, дуже важливо всебічно оцінювати їх з багатьох аспектів, включаючи тенденції розвитку, вартість матеріалів, продуктивність і можливості дизайну.

Які ключові тенденції в промисловості силової електроніки, яким відповідає GaN?

Джим Вітем, генеральний директор GaN Systems, не вирішив відступити, як інші керівники придбаних компаній; замість цього він продовжує часто з'являтися на публіці. Нещодавно у своїй промові він наголосив на важливості силових напівпровідників GaN, зазначивши, що ця технологія допоможе розробникам і виробникам енергосистем звернутись до трьох ключових тенденцій, які зараз трансформують галузь силової електроніки, причому GaN відіграє вирішальну роль у кожній тенденції.

Генеральний директор GaN Systems Джим Вітам

По-перше, питання енергоефективності. Передбачається, що глобальний попит на електроенергію зросте більш ніж на 50% до 2050 року, що зробить вкрай необхідною оптимізацію енергоефективності та прискорення переходу до відновлюваної енергії. Поточний перехід не лише зосереджується на енергоефективності, але й поширюється на більш складні аспекти, такі як енергетична незалежність та інтеграція з основною енергосистемою. Технологія GaN пропонує значні переваги в енергозбереженні в енергетиці та системах зберігання. Наприклад, сонячні мікроінвертори з використанням GaN можуть генерувати більше електроенергії; Застосування GaN для перетворення змінного струму в постійний струм і інверторів може зменшити втрати енергії в системах зберігання акумуляторів до 50%.

По-друге, процес електрифікації, зокрема в транспортному секторі. Електромобілі завжди були в центрі уваги цієї тенденції. Проте електрифікація поширюється на двоколісні та триколісні транспортні засоби (наприклад, велосипеди, мотоцикли та рикші) у густонаселених міських районах, особливо в Азії. У міру зрілості цих ринків переваги силових транзисторів GaN стануть помітнішими, і GaN відіграватиме вирішальну роль у покращенні якості життя та захисту навколишнього середовища.

Нарешті, цифровий світ зазнає масштабних змін, щоб задовольнити потреби в даних у реальному часі та швидкий розвиток штучного інтелекту (ШІ). Сучасні технології перетворення та розподілу електроенергії в центрах обробки даних не можуть відповідати швидко зростаючим вимогам, пов’язаним із хмарними обчисленнями та машинним навчанням, особливо енергоємними програмами ШІ. Досягаючи енергозбереження, зменшуючи потреби в охолодженні та підвищуючи економічну ефективність, технологія GaN змінює систему електропостачання центрів обробки даних. Поєднання генеративного штучного інтелекту та технології GaN створить більш ефективне, стійке та надійне майбутнє для центрів обробки даних.

Як бізнес-лідер і рішучий захисник навколишнього середовища, Джим Вітам вважає, що швидкий розвиток технології GaN суттєво вплине на різні енергозалежні галузі та матиме серйозні наслідки для світової економіки. Він також погоджується з ринковими прогнозами про те, що дохід від силових напівпровідників GaN досягне 6 мільярдів доларів протягом наступних п’яти років, зазначивши, що технологія GaN пропонує унікальні переваги та можливості в конкуренції з SiC.

Як GaN порівнюється з SiC з точки зору конкурентної переваги?

У минулому існували деякі неправильні уявлення про силові напівпровідники GaN, і багато хто вважав, що вони більше підходять для заряджання в побутовій електроніці. Однак основна відмінність між GaN і SiC полягає в їх застосуванні в діапазоні напруг. GaN працює краще в системах низької та середньої напруги, тоді як SiC в основному використовується для програм високої напруги, що перевищує 1200 В. Тим не менш, вибір між цими двома матеріалами передбачає врахування факторів напруги, продуктивності та вартості.

Наприклад, на європейській виставці PCIM у 2023 році компанія GaN Systems продемонструвала рішення GaN, які продемонстрували значний прогрес у щільності потужності та ефективності. Порівняно з конструкціями SiC-транзисторів, бортові зарядні пристрої (OBC) 11 кВт/800 В на основі GaN досягли збільшення щільності потужності на 36% і зниження витрат на матеріали на 15%. Ця конструкція також інтегрує топологію трирівневого літаючого конденсатора в конфігурацію PFC без моста з тотемним полюсом і технологію подвійного активного моста, що знижує напругу на 50% за допомогою транзисторів GaN.

У трьох ключових сферах застосування електромобілів — бортових зарядних пристроях (OBC), перетворювачах DC-DC і тягових інверторах — GaN Systems співпрацювала з Toyota для розробки прототипу повністю GaN автомобіля, надавши готові до виробництва рішення OBC для американського стартапу електромобілів. Canoo і Vitesco Technologies у партнерстві з розробкою GaN DC-DC перетворювачів для систем електроживлення 400 В і 800 В, пропонуючи більше можливостей для автовиробників.

Джим Вітем вважає, що клієнти, які зараз залежать від SiC, швидше за все, швидко перейдуть на GaN з двох причин: обмежена доступність і висока вартість матеріалів. Оскільки потреба в електроенергії зростає в різних галузях промисловості, від центрів обробки даних до автомобільної, ранній перехід на технологію GaN дозволить цим підприємствам скоротити час, необхідний для того, щоб наздогнати конкурентів у майбутньому.

З точки зору ланцюга постачання, SiC є дорожчим і стикається з обмеженнями в постачанні порівняно з GaN. Оскільки GaN виробляється на кремнієвих пластинах, його ціна швидко знижується зі збільшенням ринкового попиту, і майбутню ціну та конкурентоспроможність можна точніше передбачити. Навпаки, обмежена кількість постачальників SiC і тривалі терміни виконання, як правило, до року, можуть збільшити витрати та вплинути на попит на виробництво автомобілів після 2025 року.

З точки зору масштабованості, GaN майже «нескінченно» масштабується, оскільки його можна виготовляти на кремнієвих пластинах, використовуючи те ж обладнання, що й мільярди пристроїв CMOS. GaN незабаром можна буде виробляти на 8-дюймових, 12-дюймових і навіть 15-дюймових пластинах, тоді як МОП-транзистори SiC зазвичай виготовляються на 4- або 6-дюймових пластинах і тільки починають перехід до 8-дюймових пластин.

З точки зору технічних характеристик, на даний момент GaN є найшвидшим у світі пристроєм комутації живлення, що пропонує вищу щільність потужності та вихідну ефективність, ніж інші напівпровідникові пристрої. Це приносить значні переваги споживачам і компаніям, незалежно від розміру пристроїв, вищої швидкості заряджання або зниження витрат на охолодження та споживання енергії для центрів обробки даних. GaN демонструє величезні переваги.

Системи, побудовані з GaN, демонструють значно вищу щільність потужності порівняно з SiC. У міру впровадження GaN постійно з’являються нові продукти енергосистем менших розмірів, тоді як SiC не може досягти такого ж рівня мініатюризації. За словами GaN Systems, продуктивність їх пристроїв першого покоління вже перевершила продуктивність останніх напівпровідникових пристроїв SiC п’ятого покоління. Оскільки продуктивність GaN покращується в 5-10 разів у короткостроковій перспективі, очікується, що цей розрив продуктивності збільшиться.

Крім того, пристрої GaN мають значні переваги, такі як низький заряд затвора, нульове зворотне відновлення та рівна вихідна ємність, що забезпечує високу якість перемикання. У системах із середньою та низькою напругою нижче 1200 В комутаційні втрати GaN принаймні в три рази нижчі, ніж SiC. З точки зору частоти, більшість кремнієвих конструкцій зараз працюють у діапазоні від 60 до 300 кГц. Хоча SiC покращив частоту, покращення GaN є більш вираженими, досягаючи 500 кГц і вище частот.

Оскільки SiC зазвичай використовується для напруги 1200 В і вище, і лише деякі продукти підходять для 650 В, його застосування обмежене в певних конструкціях, таких як споживча електроніка 30-40 В, гібридні транспортні засоби 48 В і центри обробки даних, усі вони є важливими ринками. Тому роль SiC на цих ринках обмежена. GaN, з іншого боку, перевершує ці рівні напруги, роблячи значний внесок у центри обробки даних, побутову електроніку, відновлювану енергетику, автомобільну та промислову галузі.

Щоб допомогти інженерам краще зрозуміти різницю в продуктивності між GaN FET (польовими транзисторами) і SiC, GaN Systems розробила два джерела живлення 650 В, 15 A з використанням SiC і GaN відповідно, і провела детальні порівняльні випробування.

Пряме порівняння GaN проти SiC

Порівнюючи GaN E-HEMT (розширений транзистор з високою рухливістю електронів) із найкращим у своєму класі SiC MOSFET у високошвидкісних комутаційних додатках, було виявлено, що при використанні в синхронних понижуючих перетворювачах DC-DC перетворювач із GaN E- HEMT продемонстрував набагато вищу ефективність, ніж той, що використовує SiC MOSFET. Це порівняння чітко демонструє, що GaN E-HEMT перевершує кращі SiC MOSFET за ключовими показниками, такими як швидкість перемикання, паразитна ємність, втрати при перемиканні та теплові характеристики. Крім того, порівняно з SiC, GaN E-HEMT демонструє значні переваги в досягненні більш компактних і ефективних конструкцій перетворювачів енергії.

Чому GaN може потенційно перевершити SiC за певних умов?

Сьогодні традиційна кремнієва технологія досягла своїх меж і не може запропонувати численні переваги, якими володіє GaN, тоді як застосування SiC обмежується конкретними сценаріями використання. Термін «за певних умов» стосується обмежень цих матеріалів у конкретних застосуваннях. У світі, який все більше залежить від електроенергії, GaN не тільки покращує наявні пропозиції продукції, але й створює інноваційні рішення, які допомагають підприємствам залишатися конкурентоспроможними.

Оскільки силові напівпровідники GaN переходять від раннього впровадження до масового виробництва, головним завданням для тих, хто приймає бізнес-рішення, є визнання того, що силові напівпровідники GaN можуть запропонувати вищий рівень загальної продуктивності. Це не тільки допомагає клієнтам збільшити частку ринку та прибутковість, але й ефективно зменшує експлуатаційні та капітальні витрати.

У вересні цього року Infineon і GaN Systems спільно запустили нову платформу нітриду галію четвертого покоління (Gen 4 GaN Power Platform). Від серверного джерела живлення зі штучним інтелектом потужністю 3,2 кВт у 2022 році до поточної платформи четвертого покоління його ефективність не тільки перевищує стандарт ефективності 80 Plus Titanium, але його щільність потужності також зросла зі 100 Вт/дюйм³ до 120 Вт/дюйм³. Ця платформа не тільки встановлює нові стандарти енергоефективності та розміру, але й пропонує значно вищу продуктивність.

Підсумовуючи, незалежно від того, незалежно від того, чи компанії, що виробляють SiC, купують компанії з GaN, чи компанії з GaN, що купують компанії з SiC, основною мотивацією є розширення свого ринку та сфер застосування. Зрештою, як GaN, так і SiC належать до матеріалів з широкою забороненою зоною (WBG), і майбутні напівпровідникові матеріали четвертого покоління, такі як оксид галію (Ga2O3) і антимоніди, поступово з’являться, створюючи диверсифіковану технологічну екосистему. Таким чином, ці матеріали не замінюють один одного, а спільно стимулюють розвиток галузі.**