GaN a SiC: koexistence nebo substituce?

Snaha o vyšší hustotu výkonu a účinnost se stala primární hnací silou inovací napříč mnoha odvětvími, včetně datových center, obnovitelné energie, spotřební elektroniky, elektrických vozidel a technologií autonomního řízení. V oblasti materiálů se širokým pásmem (WBG) jsou v současnosti dvěma základními platformami nitrid galia (GaN) a karbid křemíku (SiC), které jsou považovány za klíčové nástroje vedoucí k inovaci výkonových polovodičů. Tyto materiály hluboce transformují průmysl výkonové elektroniky tak, aby uspokojil stále rostoucí poptávku po energii.

Ve skutečnosti některé přední společnosti v průmyslu SiC také aktivně zkoumají technologii GaN. V březnu tohoto roku společnost Infineon získala kanadský GaN startup GaN Systems za 830 milionů dolarů v hotovosti. Podobně společnost ROHM nedávno představila své nejnovější produkty SiC a GaN na PCIM Asia, se zvláštním důrazem na zařízení GaN HEMT jejich značky EcoGaN. Naopak v srpnu 2022 společnost Navitas Semiconductor, která se původně zaměřovala na technologii GaN, získala GeneSiC a stala se jedinou společností, která se věnuje portfoliu výkonových polovodičů nové generace.

GaN a SiC skutečně vykazují určité překrývání ve výkonových a aplikačních scénářích. Proto je klíčové vyhodnotit aplikační potenciál těchto dvou materiálů ze systémového hlediska. Přestože různí výrobci mohou mít během procesu výzkumu a vývoje svá vlastní hlediska, je nezbytné je komplexně posoudit z mnoha aspektů, včetně vývojových trendů, materiálových nákladů, výkonu a možností designu.

Jaké jsou klíčové trendy v odvětví výkonové elektroniky, které GaN splňuje?

Jim Witham, generální ředitel GaN Systems, se nerozhodl ustoupit jako ostatní manažeři získaných společností; místo toho pokračuje v častém veřejném vystoupení. Nedávno ve svém projevu zdůraznil význam výkonových polovodičů GaN a poznamenal, že tato technologie pomůže návrhářům a výrobcům energetických systémů řešit tři klíčové trendy, které v současnosti transformují průmysl výkonové elektroniky, přičemž GaN hraje v každém trendu zásadní roli.

Generální ředitel GaN Systems Jim Witham

Za prvé, otázka energetické účinnosti. Předpokládá se, že celosvětová poptávka po energii vzroste do roku 2050 o více než 50 %, takže je nezbytné optimalizovat energetickou účinnost a urychlit přechod na obnovitelné zdroje energie. Současný přechod se nezaměřuje pouze na energetickou účinnost, ale rozšiřuje se také na náročnější aspekty, jako je energetická nezávislost a integrace s běžnou elektrickou sítí. Technologie GaN nabízí významné výhody v oblasti úspory energie v aplikacích energie a skladování. Například solární mikroinvertory využívající GaN mohou vyrábět více elektřiny; Aplikace GaN při konverzi AC-DC a invertorech může snížit plýtvání energií v bateriových úložných systémech až o 50 %.

Za druhé, proces elektrifikace, zejména v sektoru dopravy. Elektromobily byly vždy středem zájmu tohoto trendu. Elektrifikace se však rozšiřuje na dvoukolovou a tříkolovou dopravu (jako jsou jízdní kola, motocykly a rikši) v hustě obydlených městských oblastech, zejména v Asii. Jak tyto trhy dozrávají, výhody výkonových tranzistorů GaN budou stále významnější a GaN bude hrát klíčovou roli při zlepšování kvality života a ochraně životního prostředí.

A konečně, digitální svět prochází masivními změnami, aby splnil požadavky na data v reálném čase a rychlý rozvoj umělé inteligence (AI). Současné technologie přeměny a distribuce energie v datových centrech nemohou držet krok s rychle rostoucími požadavky, které přináší cloud computing a strojové učení, zejména energeticky náročné aplikace umělé inteligence. Dosažením úspor energie, snížením požadavků na chlazení a zvýšením nákladové efektivity technologie GaN přetváří prostředí napájení datových center. Kombinace generativní AI a technologie GaN vytvoří efektivnější, udržitelnější a robustnější budoucnost pro datová centra.

Jim Witham, jako vedoucí podniku a oddaný zastánce životního prostředí, věří, že rychlý pokrok technologie GaN významně ovlivní různá průmyslová odvětví závislá na energii a bude mít hluboké dopady na globální ekonomiku. Souhlasí také s předpovědí trhu, že výnosy z výkonových polovodičů GaN dosáhnou během příštích pěti let 6 miliard USD, přičemž poznamenává, že technologie GaN nabízí jedinečné výhody a příležitosti v konkurenci se SiC.

Jak se GaN srovnává se SiC z hlediska konkurenční výhody?

V minulosti existovaly určité mylné představy o výkonových polovodičích GaN, přičemž mnozí věřili, že jsou vhodnější pro nabíjecí aplikace ve spotřební elektronice. Primární rozdíl mezi GaN a SiC však spočívá v jejich aplikacích napěťového rozsahu. GaN funguje lépe v nízkonapěťových a středněnapěťových aplikacích, zatímco SiC se používá hlavně pro vysokonapěťové aplikace přesahující 1200V. Nicméně volba mezi těmito dvěma materiály zahrnuje zvážení napětí, výkonu a nákladů.

Například na výstavě PCIM Europe 2023 společnost GaN Systems předvedla řešení GaN, která prokázala významný pokrok v hustotě výkonu a účinnosti. Ve srovnání s konstrukcemi SiC tranzistorů dosáhly 11kW/800V palubní nabíječky (OBC) založené na GaN 36% zvýšení hustoty výkonu a 15% snížení materiálových nákladů. Tento design také integruje tříúrovňovou topologii létajícího kondenzátoru v konfiguraci bezmůstkového totemového pólu PFC a technologii duálního aktivního můstku, což snižuje napěťové namáhání o 50 % pomocí tranzistorů GaN.

Ve třech klíčových aplikacích elektrických vozidel – palubních nabíječkách (OBC), DC-DC konvertorech a trakčních invertorech – spolupracovala společnost GaN Systems s Toyotou na vývoji prototypu vozu plně GaN, který poskytl sériově připravená řešení OBC pro americký startup EV. Canoo a spolupracovali s Vitesco Technologies na vývoji měničů GaN DC-DC pro napájecí systémy 400 V a 800 V EV, které výrobcům automobilů nabízejí více možností.

Jim Witham věří, že zákazníci, kteří jsou v současnosti závislí na SiC, pravděpodobně rychle přejdou na GaN ze dvou důvodů: omezená dostupnost a vysoké náklady na materiály. Vzhledem k tomu, že požadavky na energii rostou v různých průmyslových odvětvích, od datových center po automobilový průmysl, umožní brzký přechod na technologii GaN těmto podnikům zkrátit čas potřebný k tomu, aby v budoucnu dohnaly konkurenci.

Z pohledu dodavatelského řetězce je SiC ve srovnání s GaN dražší a čelí omezením dodávek. Vzhledem k tomu, že se GaN vyrábí na křemíkových waferech, jeho cena rychle klesá s rostoucí poptávkou na trhu a lze přesněji předpovídat budoucí cenu a konkurenceschopnost. Naopak omezený počet dodavatelů SiC a dlouhé dodací lhůty, obvykle až jeden rok, by mohly zvýšit náklady a ovlivnit poptávku po automobilové výrobě po roce 2025.

Pokud jde o škálovatelnost, GaN je téměř „nekonečně“ škálovatelný, protože jej lze vyrábět na křemíkových waferech pomocí stejného zařízení jako miliardy zařízení CMOS. GaN lze brzy vyrábět na 8palcových, 12palcových a dokonce 15palcových waferech, zatímco SiC MOSFETy se obvykle vyrábějí na 4palcových nebo 6palcových waferech a právě začínají přecházet na 8palcové wafery.

Pokud jde o technický výkon, GaN je v současnosti nejrychlejším spínacím zařízením na světě, které nabízí vyšší hustotu výkonu a výstupní účinnost než ostatní polovodičová zařízení. To přináší spotřebitelům a firmám významné výhody, ať už jde o menší velikosti zařízení, vyšší rychlost nabíjení nebo snížení nákladů na chlazení a spotřebu energie pro datová centra. GaN vykazuje obrovské výhody.

Systémy postavené s GaN vykazují výrazně vyšší hustotu výkonu ve srovnání s SiC. Jak se rozšíření GaN rozšiřuje, neustále se objevují nové produkty energetických systémů s menšími rozměry, zatímco SiC nemůže dosáhnout stejné úrovně miniaturizace. Podle GaN Systems již výkon jejich zařízení první generace překonal výkon nejnovějších SiC polovodičových zařízení páté generace. Vzhledem k tomu, že výkon GaN se krátkodobě zlepší 5 až 10krát, očekává se, že se tato výkonnostní mezera prohloubí.

Zařízení GaN mají navíc významné výhody, jako je nízký náboj hradla, nulová zpětná obnova a plochá výstupní kapacita, což umožňuje vysoce kvalitní spínací výkon. V aplikacích středního až nízkého napětí pod 1200 V jsou spínací ztráty GaN nejméně třikrát nižší než u SiC. Z hlediska frekvence většina konstrukcí na bázi křemíku v současnosti pracuje mezi 60 kHz a 300 kHz. Ačkoli se SiC zlepšil ve frekvenci, vylepšení GaN jsou výraznější a dosahují 500 kHz a vyšších frekvencí.

Vzhledem k tomu, že SiC se typicky používá pro 1200 V a vyšší napětí s pouze několika produkty vhodnými pro 650 V, je jeho použití omezeno v určitých konstrukcích, jako je 30-40V spotřební elektronika, 48V hybridní vozidla a datová centra, což jsou všechny důležité trhy. Proto je role SiC na těchto trzích omezená. Na druhé straně GaN vyniká v těchto napěťových úrovních a významně přispívá v datových centrech, spotřební elektronice, obnovitelné energii, automobilovém a průmyslovém sektoru.

Aby konstruktéři mohli lépe porozumět výkonnostním rozdílům mezi GaN FET (Field Effect Tranzistory) a SiC, GaN Systems navrhl dva napájecí zdroje 650V, 15A využívající SiC a GaN a provedl podrobné srovnávací testy.

GaN vs SiC Vzájemné srovnání

Porovnáním GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) s nejlepším SiC MOSFETem ve své třídě ve vysokorychlostních spínacích aplikacích bylo zjištěno, že při použití v synchronních buck DC-DC měničích je měnič s GaN E- HEMT vykazoval mnohem vyšší účinnost než ten s SiC MOSFET. Toto srovnání jasně ukazuje, že GaN E-HEMT překonává špičkový SiC MOSFET v klíčových metrikách, jako je rychlost spínání, parazitní kapacita, spínací ztráty a tepelný výkon. Navíc ve srovnání s SiC vykazuje GaN E-HEMT významné výhody při dosahování kompaktnějších a účinnějších konstrukcí měničů energie.

Proč by mohl GaN za určitých podmínek potenciálně překonat SiC?

Tradiční křemíková technologie dnes dosáhla svých limitů a nemůže nabídnout četné výhody, které má GaN, zatímco aplikace SiC je omezena na konkrétní scénáře použití. Termín „za určitých podmínek“ odkazuje na omezení těchto materiálů ve specifických aplikacích. Ve světě, který je stále více závislý na elektřině, GaN nejen zlepšuje stávající nabídku produktů, ale také vytváří inovativní řešení, která pomáhají podnikům zůstat konkurenceschopné.

Vzhledem k tomu, že výkonové polovodiče GaN přecházejí od brzkého přijetí k hromadné výrobě, je primárním úkolem pro podnikatele s rozhodovací pravomocí uznat, že výkonové polovodiče GaN mohou nabídnout vyšší úroveň celkového výkonu. To nejen pomáhá zákazníkům zvýšit podíl na trhu a ziskovost, ale také efektivně snižuje provozní náklady a kapitálové výdaje.

V září tohoto roku Infineon a GaN Systems společně spustily novou čtvrtou generaci platformy Gallium Nitride (Gen 4 GaN Power Platform). Od 3,2kW AI serverového zdroje v roce 2022 až po současnou platformu čtvrté generace, jeho účinnost nejen překonává standard účinnosti 80 Plus Titanium, ale jeho hustota výkonu se také zvýšila ze 100W/in³ na 120W/in³. Tato platforma nejen nastavuje nová měřítka v oblasti energetické účinnosti a velikosti, ale nabízí také výrazně lepší výkon.

Stručně řečeno, ať už jde o společnosti SiC přebírající společnosti GaN nebo společnosti GaN přebírající společnosti SiC, základní motivací je rozšíření jejich trhu a aplikačních oblastí. Koneckonců, GaN i SiC patří k materiálům se širokým pásmem (WBG) a budoucí polovodičové materiály čtvrté generace, jako je oxid galia (Ga2O3) a antimonidy, se postupně objeví a vytvoří diverzifikovaný technologický ekosystém. Proto se tyto materiály vzájemně nenahrazují, ale spíše společně řídí růst odvětví.**