GaN и SiC: съвместно съществуване или заместване?

Стремежът към по-висока плътност на мощността и ефективност се превърна в основен двигател на иновациите в множество индустрии, включително центрове за данни, възобновяема енергия, потребителска електроника, електрически превозни средства и технологии за автономно шофиране. В сферата на широколентовите материали (WBG), галиевият нитрид (GaN) и силициевият карбид (SiC) в момента са двете основни платформи, разглеждани като основни инструменти, водещи иновациите в силовите полупроводници. Тези материали дълбоко трансформират индустрията на силова електроника, за да отговорят на непрекъснато нарастващото търсене на енергия.

Всъщност някои водещи компании в SiC индустрията също активно изследват GaN технологията. През март тази година Infineon придоби канадския стартъп GaN GaN Systems за 830 милиона долара в брой. По същия начин ROHM наскоро показа най-новите си SiC и GaN продукти в PCIM Asia, със специален акцент върху GaN HEMT устройствата на тяхната марка EcoGaN. Обратно, през август 2022 г. Navitas Semiconductor, която първоначално се фокусира върху технологията GaN, придоби GeneSiC, превръщайки се в единствената компания, посветена на портфолиото от силови полупроводници от следващо поколение.

Наистина, GaN и SiC показват известно припокриване в сценариите на производителност и приложение. Следователно е изключително важно да се оцени потенциалът за приложение на тези два материала от системна гледна точка. Въпреки че различните производители може да имат свои собствени гледни точки по време на процеса на научноизследователска и развойна дейност, от съществено значение е те да бъдат цялостно оценени от множество аспекти, включително тенденции на развитие, разходи за материали, производителност и възможности за проектиране.

Какви са ключовите тенденции в индустрията на силовата електроника, на които отговаря GaN?

Джим Уитъм, главен изпълнителен директор на GaN Systems, не е избрал да се оттегли като други ръководители на придобити компании; вместо това той продължава да прави чести публични изяви. Наскоро в реч той подчерта важността на GaN силови полупроводници, като отбеляза, че тази технология ще помогне на дизайнерите и производителите на енергийни системи да се справят с три ключови тенденции, които в момента трансформират индустрията на силова електроника, като GaN играе решаваща роля във всяка тенденция.

Главният изпълнителен директор на GaN Systems Джим Уитъм

Първо, въпросът за енергийната ефективност. Предвижда се, че глобалното търсене на енергия ще нарасне с над 50% до 2050 г., което прави наложително оптимизирането на енергийната ефективност и ускоряването на прехода към възобновяема енергия. Настоящият преход не само се фокусира върху енергийната ефективност, но също така обхваща и по-предизвикателни аспекти като енергийна независимост и интеграция с основната електрическа мрежа. GaN технологията предлага значителни предимства за спестяване на енергия в приложения за енергия и съхранение. Например слънчевите микроинвертори, използващи GaN, могат да генерират повече електричество; Приложението на GaN в AC-DC преобразуване и инвертори може да намали загубата на енергия в системите за съхранение на батерии с до 50%.

Второ, процесът на електрификация, особено в транспортния сектор. Електрическите превозни средства винаги са били в центъра на тази тенденция. Въпреки това, електрификацията се разширява до двуколесния и триколесния транспорт (като велосипеди, мотоциклети и рикши) в гъсто населените градски райони, особено в Азия. С развитието на тези пазари предимствата на GaN мощните транзистори ще станат по-изявени и GaN ще играе решаваща роля за подобряване на качеството на живот и опазване на околната среда.

И накрая, цифровият свят претърпява огромни промени, за да отговори на изискванията за данни в реално време и бързото развитие на изкуствения интелект (AI). Настоящите технологии за преобразуване и разпределение на енергия в центровете за данни не могат да се справят с бързо нарастващите изисквания, породени от изчислителните облаци и машинното обучение, особено енергоемките приложения с изкуствен интелект. Чрез постигане на енергийни спестявания, намаляване на изискванията за охлаждане и повишаване на рентабилността, GaN технологията променя пейзажа на захранването на центровете за данни. Комбинацията от генеративна AI и GaN технология ще създаде по-ефективно, устойчиво и стабилно бъдеще за центровете за данни.

Като бизнес лидер и убеден защитник на околната среда, Джим Уитъм вярва, че бързото развитие на GaN технологията ще повлияе значително на различни енергозависими индустрии и ще има дълбоки последици върху глобалната икономика. Той също така се съгласява с пазарните прогнози, че приходите от силови полупроводници на GaN ще достигнат 6 милиарда долара през следващите пет години, отбелязвайки, че GaN технологията предлага уникални предимства и възможности в конкуренцията с SiC.

Как се сравнява GaN с SiC по отношение на конкурентното предимство?

В миналото имаше някои погрешни схващания за GaN силови полупроводници, като мнозина вярваха, че са по-подходящи за приложения за зареждане в потребителската електроника. Въпреки това, основната разлика между GaN и SiC се крие в техните приложения в обхвата на напрежението. GaN се представя по-добре в приложения с ниско и средно напрежение, докато SiC се използва главно за приложения с високо напрежение над 1200V. Независимо от това, изборът между тези два материала включва отчитане на факторите напрежение, производителност и цена.

Например на изложението PCIM Europe 2023 GaN Systems демонстрира GaN решения, които демонстрират значителен напредък в плътността на мощността и ефективността. В сравнение с конструкциите на SiC транзистори, базираните на GaN 11kW/800V бордови зарядни устройства (OBC) постигнаха 36% увеличение на плътността на мощността и 15% намаление на материалните разходи. Този дизайн също интегрира тристепенна летяща кондензаторна топология в безмостова PFC конфигурация с тотемни полюси и двойна активна мостова технология, намалявайки стреса на напрежението с 50%, използвайки GaN транзистори.

В трите ключови приложения на електрическите превозни средства – бордови зарядни устройства (OBC), DC-DC преобразуватели и тягови инвертори – GaN Systems си сътрудничи с Toyota, за да разработи прототип на изцяло GaN автомобил, като предостави готови за производство OBC решения за американското стартиране на EV Canoo и си партнираха с Vitesco Technologies за разработване на GaN DC-DC преобразуватели за 400V и 800V EV захранващи системи, предлагащи повече възможности за избор на производителите на автомобили.

Джим Уитъм вярва, че клиентите, които в момента разчитат на SiC, вероятно бързо ще преминат към GaN поради две причини: ограничената наличност и високата цена на материалите. Тъй като търсенето на енергия се увеличава в различни индустрии, от центрове за данни до автомобилостроене, ранният преход към GaN технология ще позволи на тези предприятия да съкратят времето, необходимо за настигане на конкурентите в бъдеще.

От гледна точка на веригата за доставки SiC е по-скъп и е изправен пред ограничения на доставките в сравнение с GaN. Тъй като GaN се произвежда върху силициеви пластини, цената му намалява бързо с нарастващото пазарно търсене и бъдещата цена и конкурентоспособността могат да бъдат по-точно прогнозирани. Обратно, ограниченият брой доставчици на SiC и дългите срокове за изпълнение, обикновено до една година, могат да увеличат разходите и да повлияят на търсенето на автомобилно производство след 2025 г.

По отношение на мащабируемостта, GaN е почти „безкрайно“ мащабируем, защото може да се произвежда върху силициеви пластини, като се използва същото оборудване като милиарди CMOS устройства. GaN скоро може да се произвежда на 8-инчови, 12-инчови и дори 15-инчови пластини, докато SiC MOSFETs обикновено се произвеждат на 4-инчови или 6-инчови пластини и тепърва започват да преминават към 8-инчови пластини.

По отношение на техническата производителност GaN в момента е най-бързото устройство за превключване на захранването в света, предлагащо по-висока плътност на мощността и изходна ефективност от други полупроводникови устройства. Това носи значителни ползи за потребителите и бизнеса, независимо дали в по-малки размери на устройства, по-бързи скорости на зареждане или намалени разходи за охлаждане и консумация на енергия за центрове за данни. GaN показва огромни предимства.

Системите, изградени с GaN, демонстрират значително по-висока плътност на мощността в сравнение с SiC. С разпространението на приемането на GaN непрекъснато се появяват нови продукти за енергийни системи с по-малки размери, докато SiC не може да постигне същото ниво на миниатюризация. Според GaN Systems производителността на техните устройства от първо поколение вече е надминала тази на най-новите полупроводникови устройства от SiC от пето поколение. Тъй като производителността на GaN се подобрява от 5 до 10 пъти в краткосрочен план, тази разлика в производителността се очаква да се разшири.

Освен това GaN устройствата притежават значителни предимства като нисък заряд на затвора, нулево обратно възстановяване и плосък изходен капацитет, което позволява висококачествено превключване. При приложения със средно до ниско напрежение под 1200V загубите при превключване на GaN са поне три пъти по-ниски от SiC. От честотна гледна точка, повечето базирани на силиций дизайни в момента работят между 60kHz и 300kHz. Въпреки че SiC е с подобрена честота, подобренията на GaN са по-изразени, постигайки 500 kHz и по-високи честоти.

Тъй като SiC обикновено се използва за 1200V и по-високи напрежения само с няколко продукта, подходящи за 650V, приложението му е ограничено в определени дизайни, като 30-40V потребителска електроника, 48V хибридни превозни средства и центрове за данни, всички от които са важни пазари. Следователно ролята на SiC на тези пазари е ограничена. GaN, от друга страна, превъзхожда тези нива на напрежение, като има значителен принос в центровете за данни, потребителската електроника, възобновяемата енергия, автомобилостроенето и индустриалните сектори.

За да помогне на инженерите да разберат по-добре разликите в производителността между GaN FET (транзистори с полеви ефекти) и SiC, GaN Systems проектира две 650V, 15A захранвания, използващи съответно SiC и GaN, и проведе подробни сравнителни тестове.

Пряко сравнение между GaN и SiC

Чрез сравняване на GaN E-HEMT (Подобрен транзистор с висока подвижност на електрони) с най-добрия в класа си SiC MOSFET във високоскоростни превключващи приложения, беше установено, че когато се използва в синхронни DC-DC преобразуватели, преобразувателят с GaN E- HEMT показа много по-висока ефективност от този с SiC MOSFET. Това сравнение ясно демонстрира, че GaN E-HEMT превъзхожда топ SiC MOSFET по ключови показатели като скорост на превключване, паразитен капацитет, загуби при превключване и топлинна производителност. Освен това, в сравнение със SiC, GaN E-HEMT показва значителни предимства при постигането на по-компактни и ефективни конструкции на преобразуватели на мощност.

Защо GaN може потенциално да превъзхожда SiC при определени условия?

Днес традиционната силиконова технология е достигнала своите граници и не може да предложи многобройните предимства, които притежава GaN, докато приложението на SiC е ограничено до специфични сценарии на използване. Терминът „при определени условия“ се отнася до ограниченията на тези материали в конкретни приложения. В свят, който все повече зависи от електричеството, GaN не само подобрява предлагането на съществуващи продукти, но също така създава иновативни решения, които помагат на бизнеса да остане конкурентоспособен.

Докато GaN мощните полупроводници преминават от ранно приемане към масово производство, основната задача за вземащите бизнес решения е да признаят, че GaN мощните полупроводници могат да предложат по-високо ниво на цялостна производителност. Това не само помага на клиентите да увеличат пазарния дял и рентабилността, но също така ефективно намалява оперативните разходи и капиталовите разходи.

През септември тази година Infineon и GaN Systems стартираха съвместно нова платформа от галиев нитрид от четвърто поколение (Gen 4 GaN Power Platform). От 3,2kW AI сървърно захранване през 2022 г. до текущата платформа от четвърто поколение, неговата ефективност не само надминава стандарта за ефективност 80 Plus Titanium, но плътността му на мощност също се е увеличила от 100W/in³ до 120W/in³. Тази платформа не само поставя нови критерии за енергийна ефективност и размер, но също така предлага значително превъзходна производителност.

В обобщение, независимо дали SiC компании придобиват GaN компании или GaN компании придобиват SiC компании, основната мотивация е да разширят своя пазар и области на приложение. В края на краищата и GaN, и SiC принадлежат към широколентови материали (WBG) и бъдещите полупроводникови материали от четвърто поколение като галиев оксид (Ga2O3) и антимониди постепенно ще се появят, създавайки диверсифицирана технологична екосистема. Следователно тези материали не се заменят взаимно, а по-скоро колективно стимулират растежа на индустрията.**