GaN και SiC: Συνύπαρξη ή υποκατάσταση;

Η ώθηση για υψηλότερη πυκνότητα ισχύος και απόδοση έχει γίνει ο κύριος μοχλός καινοτομίας σε πολλούς κλάδους, συμπεριλαμβανομένων των κέντρων δεδομένων, των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης, των ηλεκτρικών οχημάτων και των τεχνολογιών αυτόνομης οδήγησης. Στον τομέα των υλικών ευρείας ζώνης (WBG), το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) και το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι επί του παρόντος οι δύο βασικές πλατφόρμες, που θεωρούνται βασικά εργαλεία που οδηγούν στην καινοτομία των ημιαγωγών ισχύος. Αυτά τα υλικά μεταμορφώνουν βαθιά τη βιομηχανία ηλεκτρονικών ισχύος για να αντιμετωπίσουν τη συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για ενέργεια.

Στην πραγματικότητα, ορισμένες κορυφαίες εταιρείες στη βιομηχανία SiC εξερευνούν επίσης ενεργά την τεχνολογία GaN. Τον Μάρτιο του τρέχοντος έτους, η Infineon εξαγόρασε την καναδική startup GaN GaN Systems για 830 εκατομμύρια δολάρια σε μετρητά. Ομοίως, η ROHM παρουσίασε πρόσφατα τα τελευταία της προϊόντα SiC και GaN στο PCIM Asia, με ιδιαίτερη έμφαση στις συσκευές GaN HEMT της μάρκας EcoGaN. Αντίθετα, τον Αύγουστο του 2022, η Navitas Semiconductor, η οποία αρχικά επικεντρωνόταν στην τεχνολογία GaN, εξαγόρασε τη GeneSiC, καθιστώντας τη μοναδική εταιρεία αφιερωμένη στο χαρτοφυλάκιο ημιαγωγών ισχύος επόμενης γενιάς.

Πράγματι, το GaN και το SiC παρουσιάζουν κάποια επικάλυψη σε σενάρια απόδοσης και εφαρμογής. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να αξιολογηθεί η δυνατότητα εφαρμογής αυτών των δύο υλικών από την άποψη του συστήματος. Αν και διάφοροι κατασκευαστές μπορεί να έχουν τις δικές τους απόψεις κατά τη διάρκεια της διαδικασίας Ε&Α, είναι σημαντικό να τις αξιολογήσουμε πλήρως από πολλές πτυχές, συμπεριλαμβανομένων των τάσεων ανάπτυξης, του κόστους υλικών, της απόδοσης και των ευκαιριών σχεδιασμού.

Ποιες είναι οι βασικές τάσεις στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ισχύος που συναντά η GaN;

Ο Jim Witham, Διευθύνων Σύμβουλος της GaN Systems, δεν επέλεξε να κάνει πίσω όπως άλλα στελέχη εξαγορασμένων εταιρειών. Αντίθετα, συνεχίζει να κάνει συχνές δημόσιες εμφανίσεις. Πρόσφατα, σε μια ομιλία του, τόνισε τη σημασία των ημιαγωγών ισχύος GaN, σημειώνοντας ότι αυτή η τεχνολογία θα βοηθήσει τους σχεδιαστές και τους κατασκευαστές συστημάτων ισχύος να αντιμετωπίσουν τρεις βασικές τάσεις που μεταμορφώνουν αυτή τη στιγμή τη βιομηχανία ηλεκτρονικών ισχύος, με το GaN να παίζει κρίσιμο ρόλο σε κάθε τάση.

Ο Διευθύνων Σύμβουλος της GaN Systems Jim Witham

Πρώτον, το θέμα της ενεργειακής απόδοσης. Προβλέπεται ότι η παγκόσμια ζήτηση ενέργειας θα αυξηθεί κατά πάνω από 50% έως το 2050, καθιστώντας επιτακτική τη βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης και την επιτάχυνση της μετάβασης στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η τρέχουσα μετάβαση δεν εστιάζει μόνο στην ενεργειακή απόδοση, αλλά επεκτείνεται και σε πιο απαιτητικές πτυχές, όπως η ενεργειακή ανεξαρτησία και η ενοποίηση με το κύριο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. Η τεχνολογία GaN προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα εξοικονόμησης ενέργειας σε εφαρμογές ενέργειας και αποθήκευσης. Για παράδειγμα, οι ηλιακοί μικρομετατροπείς που χρησιμοποιούν GaN μπορούν να παράγουν περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια. Η εφαρμογή του GaN στη μετατροπή AC-DC και στους μετατροπείς μπορεί να μειώσει τη σπατάλη ενέργειας στα συστήματα αποθήκευσης μπαταριών έως και 50%.

Δεύτερον, η διαδικασία ηλεκτροδότησης, ιδιαίτερα στον τομέα των μεταφορών. Τα ηλεκτρικά οχήματα ήταν πάντα το επίκεντρο αυτής της τάσης. Ωστόσο, η ηλεκτροκίνηση επεκτείνεται στις μεταφορές με δίτροχα και τρίτροχα (όπως ποδήλατα, μοτοσικλέτες και ρίκσα) σε πυκνοκατοικημένες αστικές περιοχές, ειδικά στην Ασία. Καθώς αυτές οι αγορές ωριμάζουν, τα πλεονεκτήματα των τρανζίστορ ισχύος GaN θα γίνουν πιο εμφανή και το GaN θα διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στη βελτίωση της ποιότητας ζωής και της προστασίας του περιβάλλοντος.

Τέλος, ο ψηφιακός κόσμος υφίσταται τεράστιες αλλαγές για να καλύψει τις απαιτήσεις δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και την ταχεία ανάπτυξη της τεχνητής νοημοσύνης (AI). Οι τρέχουσες τεχνολογίες μετατροπής και διανομής ενέργειας στα κέντρα δεδομένων δεν μπορούν να συμβαδίσουν με τις ταχέως αυξανόμενες απαιτήσεις που επιφέρει το cloud computing και η μηχανική μάθηση, ειδικά οι εφαρμογές τεχνητής νοημοσύνης που απαιτούν ενέργεια. Επιτυγχάνοντας εξοικονόμηση ενέργειας, μειώνοντας τις απαιτήσεις ψύξης και ενισχύοντας τη σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας, η τεχνολογία GaN αναδιαμορφώνει το τοπίο τροφοδοσίας των κέντρων δεδομένων. Ο συνδυασμός της γενετικής τεχνολογίας AI και GaN θα δημιουργήσει ένα πιο αποτελεσματικό, βιώσιμο και ισχυρό μέλλον για τα κέντρα δεδομένων.

Ως επιχειρηματικός ηγέτης και ένθερμος υποστηρικτής του περιβάλλοντος, ο Jim Witham πιστεύει ότι η ταχεία πρόοδος της τεχνολογίας GaN θα επηρεάσει σημαντικά διάφορες βιομηχανίες που εξαρτώνται από την ενέργεια και θα έχει βαθιές επιπτώσεις στην παγκόσμια οικονομία. Συμφωνεί επίσης με τις προβλέψεις της αγοράς ότι τα έσοδα από ημιαγωγούς ισχύος GaN θα φτάσουν τα 6 δισεκατομμύρια δολάρια μέσα στα επόμενα πέντε χρόνια, σημειώνοντας ότι η τεχνολογία GaN προσφέρει μοναδικά πλεονεκτήματα και ευκαιρίες στον ανταγωνισμό με το SiC.

Πώς συγκρίνεται το GaN με το SiC όσον αφορά το ανταγωνιστικό πλεονέκτημα;

Στο παρελθόν, υπήρχαν κάποιες λανθασμένες αντιλήψεις σχετικά με τους ημιαγωγούς ισχύος GaN, με πολλούς να πιστεύουν ότι ήταν πιο κατάλληλοι για τη φόρτιση εφαρμογών σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. Ωστόσο, η κύρια διάκριση μεταξύ GaN και SiC έγκειται στις εφαρμογές της περιοχής τάσης τους. Το GaN αποδίδει καλύτερα σε εφαρμογές χαμηλής και μέσης τάσης, ενώ το SiC χρησιμοποιείται κυρίως για εφαρμογές υψηλής τάσης άνω των 1200 V. Ωστόσο, η επιλογή μεταξύ αυτών των δύο υλικών περιλαμβάνει την εξέταση παραγόντων τάσης, απόδοσης και κόστους.

Για παράδειγμα, στην έκθεση PCIM Europe 2023, η GaN Systems παρουσίασε λύσεις GaN που έδειξαν σημαντικές προόδους στην πυκνότητα και την απόδοση ισχύος. Σε σύγκριση με τα σχέδια τρανζίστορ SiC, οι ενσωματωμένοι φορτιστές 11kW/800V (OBC) που βασίζονται σε GaN πέτυχαν αύξηση 36% στην πυκνότητα ισχύος και μείωση 15% στο κόστος υλικών. Αυτός ο σχεδιασμός ενσωματώνει επίσης μια τοπολογία ιπτάμενου πυκνωτή τριών επιπέδων σε διαμόρφωση PFC χωρίς γέφυρα τοτέμ-πόλου και τεχνολογία διπλής ενεργής γέφυρας, μειώνοντας την τάση τάσης κατά 50% χρησιμοποιώντας τρανζίστορ GaN.

Στις τρεις βασικές εφαρμογές των ηλεκτρικών οχημάτων - φορτιστές οχήματος (OBC), μετατροπείς DC-DC και μετατροπείς έλξης - η GaN Systems συνεργάστηκε με την Toyota για την ανάπτυξη ενός πρωτοτύπου αυτοκινήτου all-GaN, παρέχοντας λύσεις OBC έτοιμες για παραγωγή για την αμερικανική εκκίνηση EV Η Canoo, και συνεργάστηκε με τη Vitesco Technologies για την ανάπτυξη μετατροπέων GaN DC-DC για συστήματα ισχύος 400V και 800V EV, προσφέροντας περισσότερες επιλογές για τις αυτοκινητοβιομηχανίες.

Ο Jim Witham πιστεύει ότι οι πελάτες που εξαρτώνται επί του παρόντος από το SiC είναι πιθανό να στραφούν γρήγορα στο GaN για δύο λόγους: την περιορισμένη διαθεσιμότητα και το υψηλό κόστος των υλικών. Καθώς οι απαιτήσεις ενέργειας αυξάνονται σε διάφορους κλάδους, από τα κέντρα δεδομένων έως την αυτοκινητοβιομηχανία, μια πρώιμη μετάβαση στην τεχνολογία GaN θα επιτρέψει σε αυτές τις επιχειρήσεις να συντομεύσουν το χρόνο που απαιτείται για να καλύψουν τη διαφορά με τους ανταγωνιστές στο μέλλον.

Από την άποψη της εφοδιαστικής αλυσίδας, το SiC είναι πιο ακριβό και αντιμετωπίζει περιορισμούς εφοδιασμού σε σύγκριση με το GaN. Δεδομένου ότι το GaN παράγεται σε γκοφρέτες πυριτίου, η τιμή του μειώνεται γρήγορα με την αύξηση της ζήτησης στην αγορά και η μελλοντική τιμή και ανταγωνιστικότητα μπορούν να προβλεφθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια. Αντίθετα, ο περιορισμένος αριθμός προμηθευτών SiC και οι μεγάλοι χρόνοι παράδοσης, συνήθως έως ένα έτος, θα μπορούσαν να αυξήσουν το κόστος και να επηρεάσουν τη ζήτηση για την κατασκευή αυτοκινήτων μετά το 2025.

Όσον αφορά την επεκτασιμότητα, το GaN είναι σχεδόν «απεριόριστα» επεκτάσιμο επειδή μπορεί να κατασκευαστεί σε γκοφρέτες πυριτίου χρησιμοποιώντας τον ίδιο εξοπλισμό με δισεκατομμύρια συσκευές CMOS. Το GaN μπορεί σύντομα να παραχθεί σε γκοφρέτες 8 ιντσών, 12 ιντσών, ακόμη και 15 ιντσών, ενώ τα MOSFET SiC κατασκευάζονται συνήθως σε γκοφρέτες 4 ιντσών ή 6 ιντσών και μόλις αρχίζουν να μεταβαίνουν σε γκοφρέτες 8 ιντσών.

Όσον αφορά τις τεχνικές επιδόσεις, το GaN είναι αυτή τη στιγμή η ταχύτερη συσκευή μεταγωγής ισχύος στον κόσμο, προσφέροντας υψηλότερη πυκνότητα ισχύος και απόδοση εξόδου από άλλες συσκευές ημιαγωγών. Αυτό αποφέρει σημαντικά οφέλη στους καταναλωτές και τις επιχειρήσεις, είτε σε μικρότερα μεγέθη συσκευών, μεγαλύτερες ταχύτητες φόρτισης ή μειωμένο κόστος ψύξης και κατανάλωση ενέργειας για τα κέντρα δεδομένων. Το GaN παρουσιάζει τεράστια πλεονεκτήματα.

Τα συστήματα που κατασκευάζονται με GaN επιδεικνύουν σημαντικά υψηλότερη πυκνότητα ισχύος σε σύγκριση με το SiC. Καθώς η υιοθέτηση του GaN εξαπλώνεται, νέα προϊόντα συστημάτων ισχύος με μικρότερα μεγέθη εμφανίζονται συνεχώς, ενώ το SiC δεν μπορεί να επιτύχει το ίδιο επίπεδο σμίκρυνσης. Σύμφωνα με την GaN Systems, η απόδοση των συσκευών πρώτης γενιάς της έχει ήδη ξεπεράσει αυτή των τελευταίων συσκευών ημιαγωγών SiC πέμπτης γενιάς. Καθώς η απόδοση του GaN βελτιώνεται κατά 5 έως 10 φορές βραχυπρόθεσμα, αυτό το χάσμα απόδοσης αναμένεται να διευρυνθεί.

Επιπλέον, οι συσκευές GaN διαθέτουν σημαντικά πλεονεκτήματα όπως χαμηλή φόρτιση πύλης, μηδενική ανάστροφη ανάκτηση και επίπεδη χωρητικότητα εξόδου, επιτρέποντας την απόδοση μεταγωγής υψηλής ποιότητας. Σε εφαρμογές μεσαίας έως χαμηλής τάσης κάτω από 1200V, οι απώλειες μεταγωγής του GaN είναι τουλάχιστον τρεις φορές χαμηλότερες από το SiC. Από την άποψη της συχνότητας, τα περισσότερα σχέδια με βάση το πυρίτιο λειτουργούν επί του παρόντος μεταξύ 60kHz και 300kHz. Αν και το SiC έχει βελτιωθεί σε συχνότητα, οι βελτιώσεις του GaN είναι πιο έντονες, επιτυγχάνοντας 500 kHz και υψηλότερες συχνότητες.

Δεδομένου ότι το SiC χρησιμοποιείται συνήθως για τάσεις 1200 V και υψηλότερες με λίγα μόνο προϊόντα κατάλληλα για 650 V, η εφαρμογή του περιορίζεται σε ορισμένα σχέδια, όπως ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης 30-40 V, υβριδικά οχήματα 48 V και κέντρα δεδομένων, τα οποία είναι όλα σημαντικές αγορές. Ως εκ τούτου, ο ρόλος της SiC σε αυτές τις αγορές είναι περιορισμένος. Η GaN, από την άλλη πλευρά, υπερέχει σε αυτά τα επίπεδα τάσης, συμβάλλοντας σημαντικά σε κέντρα δεδομένων, ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, αυτοκινητοβιομηχανία και βιομηχανικούς τομείς.

Για να βοηθήσουν τους μηχανικούς να κατανοήσουν καλύτερα τις διαφορές απόδοσης μεταξύ GaN FET (Field Effect Transistors) και SiC, η GaN Systems σχεδίασε δύο τροφοδοτικά 650V, 15A χρησιμοποιώντας SiC και GaN αντίστοιχα και πραγματοποίησε λεπτομερείς συγκριτικές δοκιμές.

GaN vs SiC Head-to-head Σύγκριση

Συγκρίνοντας το GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) με το καλύτερο στην κατηγορία MOSFET SiC σε εφαρμογές μεταγωγής υψηλής ταχύτητας, διαπιστώθηκε ότι όταν χρησιμοποιείται σε σύγχρονους μετατροπείς DC-DC buck, ο μετατροπέας με GaN E- Το HEMT παρουσίασε πολύ υψηλότερη απόδοση από αυτό με το SiC MOSFET. Αυτή η σύγκριση δείχνει ξεκάθαρα ότι το GaN E-HEMT υπερέχει του κορυφαίου SiC MOSFET σε βασικές μετρήσεις όπως η ταχύτητα μεταγωγής, η παρασιτική χωρητικότητα, οι απώλειες μεταγωγής και η θερμική απόδοση. Επιπλέον, σε σύγκριση με το SiC, το GaN E-HEMT παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα στην επίτευξη πιο συμπαγών και αποδοτικών σχεδίων μετατροπέων ισχύος.

Γιατί το GaN θα μπορούσε να ξεπεράσει δυνητικά το SiC υπό ορισμένες συνθήκες;

Σήμερα, η παραδοσιακή τεχνολογία πυριτίου έχει φτάσει στα όριά της και δεν μπορεί να προσφέρει τα πολυάριθμα πλεονεκτήματα που διαθέτει το GaN, ενώ η εφαρμογή του SiC περιορίζεται σε συγκεκριμένα σενάρια χρήσης. Ο όρος «υπό ορισμένες προϋποθέσεις» αναφέρεται στους περιορισμούς αυτών των υλικών σε συγκεκριμένες εφαρμογές. Σε έναν κόσμο που εξαρτάται όλο και περισσότερο από την ηλεκτρική ενέργεια, η GaN όχι μόνο βελτιώνει την υπάρχουσα προσφορά προϊόντων αλλά δημιουργεί και καινοτόμες λύσεις που βοηθούν τις επιχειρήσεις να παραμείνουν ανταγωνιστικές.

Καθώς οι ημιαγωγοί ισχύος GaN μεταβαίνουν από την πρώιμη υιοθέτηση στη μαζική παραγωγή, το πρωταρχικό καθήκον για τους υπεύθυνους λήψης επιχειρηματικών αποφάσεων είναι να αναγνωρίσουν ότι οι ημιαγωγοί ισχύος GaN μπορούν να προσφέρουν υψηλότερο επίπεδο συνολικής απόδοσης. Αυτό όχι μόνο βοηθά τους πελάτες να αυξήσουν το μερίδιο αγοράς και την κερδοφορία, αλλά επίσης μειώνει αποτελεσματικά το λειτουργικό κόστος και τις κεφαλαιουχικές δαπάνες.

Τον Σεπτέμβριο του τρέχοντος έτους, η Infineon και η GaN Systems παρουσίασαν από κοινού μια νέα πλατφόρμα Nitride Gallium τέταρτης γενιάς (Gen 4 GaN Power Platform). Από το τροφοδοτικό διακομιστή AI 3,2 kW το 2022 έως την τρέχουσα πλατφόρμα τέταρτης γενιάς, η απόδοσή του όχι μόνο ξεπερνά το πρότυπο απόδοσης 80 Plus Titanium, αλλά η πυκνότητα ισχύος του έχει επίσης αυξηθεί από 100W/in³ σε 120W/in³. Αυτή η πλατφόρμα όχι μόνο θέτει νέα σημεία αναφοράς στην ενεργειακή απόδοση και το μέγεθος, αλλά προσφέρει επίσης σημαντικά ανώτερη απόδοση.

Συνοπτικά, είτε πρόκειται για εταιρείες SiC που εξαγοράζουν εταιρείες GaN είτε για εταιρείες GaN που εξαγοράζουν εταιρείες SiC, το υποκείμενο κίνητρο είναι να επεκτείνουν την αγορά και τα πεδία εφαρμογής τους. Εξάλλου, το GaN και το SiC ανήκουν και τα δύο σε υλικά ευρείας ζώνης (WBG) και τα μελλοντικά υλικά ημιαγωγών τέταρτης γενιάς όπως το οξείδιο του γαλλίου (Ga2O3) και τα αντιμονίδια θα αναδυθούν σταδιακά, δημιουργώντας ένα διαφοροποιημένο τεχνολογικό οικοσύστημα. Επομένως, αυτά τα υλικά δεν αντικαθιστούν το ένα το άλλο, αλλά μάλλον οδηγούν συλλογικά την ανάπτυξη της βιομηχανίας.**