GaN ir SiC: sambūvis ar pakeitimas?

Didesnio galios tankio ir efektyvumo siekis tapo pagrindiniu inovacijų varikliu įvairiose pramonės šakose, įskaitant duomenų centrus, atsinaujinančią energiją, buitinę elektroniką, elektrines transporto priemones ir autonominio vairavimo technologijas. Plačios juostos (WBG) medžiagų srityje galio nitridas (GaN) ir silicio karbidas (SiC) šiuo metu yra dvi pagrindinės platformos, kurios laikomos pagrindiniais įrankiais, skatinančiais galios puslaidininkių naujoves. Šios medžiagos iš esmės keičia galios elektronikos pramonę, kad būtų patenkintas nuolat didėjantis energijos poreikis.

Tiesą sakant, kai kurios pirmaujančios SiC pramonės įmonės taip pat aktyviai tiria GaN technologiją. Šių metų kovą „Infineon“ įsigijo Kanados „GaN“ startuolį „GaN Systems“ už 830 mln. Taip pat ROHM neseniai pristatė savo naujausius SiC ir GaN produktus PCIM Asia, ypatingą dėmesį skirdama savo EcoGaN prekės ženklo GaN HEMT įrenginiams. Ir atvirkščiai, 2022 m. rugpjūtį „Navitas Semiconductor“, kuri iš pradžių daugiausia dėmesio skyrė GaN technologijai, įsigijo „GeneSiC“, tapdama vienintele bendrove, skirta naujos kartos galios puslaidininkių portfeliui.

Iš tiesų, „GaN“ ir „SiC“ veikimo ir taikymo scenarijai šiek tiek sutampa. Todėl labai svarbu įvertinti šių dviejų medžiagų panaudojimo galimybes sistemos požiūriu. Nors skirtingi gamintojai MTEP proceso metu gali turėti savo požiūrių, labai svarbu juos visapusiškai įvertinti įvairiais aspektais, įskaitant plėtros tendencijas, medžiagų sąnaudas, našumą ir dizaino galimybes.

Kokios yra pagrindinės galios elektronikos pramonės tendencijos, kurias atitinka GaN?

Jimas Withamas, „GaN Systems“ generalinis direktorius, nesiryžo atsitraukti kaip kiti įsigytų įmonių vadovai; vietoj to jis ir toliau dažnai pasirodo viešumoje. Neseniai savo kalboje jis pabrėžė GaN galios puslaidininkių svarbą ir pažymėjo, kad ši technologija padės elektros energijos sistemų projektuotojams ir gamintojams spręsti tris pagrindines tendencijas, šiuo metu transformuojančias galios elektronikos pramonę, o GaN vaidina lemiamą vaidmenį kiekvienoje tendencijoje.

„GaN Systems“ generalinis direktorius Jimas Withamas

Pirma, energijos vartojimo efektyvumo klausimas. Prognozuojama, kad iki 2050 m. pasaulinė energijos paklausa padidės daugiau nei 50 %, todėl būtina optimizuoti energijos vartojimo efektyvumą ir paspartinti perėjimą prie atsinaujinančios energijos. Dabartinis perėjimas ne tik sutelktas į energijos vartojimo efektyvumą, bet ir apima sudėtingesnius aspektus, tokius kaip energetinė nepriklausomybė ir integracija į pagrindinį elektros tinklą. GaN technologija suteikia didelių energijos taupymo pranašumų energijos ir saugojimo srityse. Pavyzdžiui, saulės mikroinverteriai, naudojantys GaN, gali pagaminti daugiau elektros energijos; GaN taikymas kintamosios srovės ir nuolatinės srovės konvertavimui ir keitikliai gali sumažinti energijos švaistymą akumuliatoriaus saugojimo sistemose iki 50%.

Antra, elektrifikavimo procesas, ypač transporto sektoriuje. Elektrinės transporto priemonės visada buvo šios tendencijos dėmesio centre. Tačiau tankiai apgyvendintose miestų zonose, ypač Azijoje, elektrifikacija plečiasi iki dviračių ir triračių transporto priemonių (pvz., dviračių, motociklų ir rikšų). Šioms rinkoms bręstant, GaN galios tranzistorių pranašumai taps ryškesni, o GaN vaidins lemiamą vaidmenį gerinant gyvenimo kokybę ir aplinkos apsaugą.

Galiausiai, skaitmeniniame pasaulyje vyksta didžiuliai pokyčiai, kad būtų patenkinti realaus laiko duomenų poreikiai ir spartus dirbtinio intelekto (AI) vystymasis. Dabartinės duomenų centrų energijos konvertavimo ir paskirstymo technologijos negali patenkinti sparčiai didėjančių debesų kompiuterijos ir mašininio mokymosi poreikių, ypač energijos reikalaujančių AI programų. Sutaupydama energiją, sumažindama aušinimo poreikius ir padidindama ekonomiškumą, GaN technologija keičia duomenų centrų maitinimo šaltinį. Generatyvios AI ir GaN technologijos derinys sukurs efektyvesnę, tvaresnę ir tvirtesnę duomenų centrų ateitį.

Kaip verslo lyderis ir tvirtas aplinkos gynėjas, Jimas Withamas mano, kad sparti GaN technologijos pažanga turės didelės įtakos įvairioms nuo energijos priklausomoms pramonės šakoms ir turės didelių pasekmių pasaulio ekonomikai. Jis taip pat sutinka su rinkos prognozėmis, kad GaN galios puslaidininkių pajamos per ateinančius penkerius metus pasieks 6 milijardus JAV dolerių, pažymėdamas, kad GaN technologija suteikia unikalių pranašumų ir galimybių konkuruojant su SiC.

Kaip GaN lyginamas su SiC konkurencinio pranašumo požiūriu?

Anksčiau buvo tam tikrų klaidingų nuomonių apie GaN galios puslaidininkius, nes daugelis manė, kad jie labiau tinka plataus vartojimo elektronikos įkrovimo programoms. Tačiau pagrindinis skirtumas tarp GaN ir SiC slypi jų įtampos diapazone. GaN geriau veikia žemos ir vidutinės įtampos įrenginiuose, o SiC daugiausia naudojamas aukštos įtampos, viršijančios 1200 V, įrenginiuose. Nepaisant to, renkantis šias dvi medžiagas reikia atsižvelgti į įtampą, našumą ir sąnaudas.

Pavyzdžiui, 2023 m. „PCIM Europe“ parodoje „GaN Systems“ pristatė „GaN“ sprendimus, kurie parodė reikšmingą energijos tankio ir efektyvumo pažangą. Palyginti su SiC tranzistorių konstrukcijomis, GaN pagrindu pagaminti 11kW/800V integruoti įkrovikliai (OBC) padidino galios tankį 36 % ir sumažino medžiagų sąnaudas 15 %. Ši konstrukcija taip pat integruoja trijų lygių skraidančio kondensatoriaus topologiją be tilto totemo poliaus PFC konfigūracijoje ir dvigubo aktyvaus tilto technologiją, sumažinančią įtampos įtampą 50 % naudojant GaN tranzistorius.

Trijose pagrindinėse elektra varomų transporto priemonių taikymo srityse – įmontuotuose įkrovikliuose (OBC), nuolatinės srovės-DC keitikliuose ir traukos keitikliuose – „GaN Systems“ bendradarbiavo su „Toyota“, kad sukurtų viso GaN automobilio prototipą, teikdama gamybai paruoštus OBC sprendimus Amerikos elektromobilių startui. „Canoo“ ir bendradarbiauja su „Vitesco Technologies“, kad sukurtų „GaN DC-DC“ keitiklius 400 V ir 800 V EV maitinimo sistemoms, suteikdami daugiau pasirinkimų automobilių gamintojams.

Jimas Withamas mano, kad klientai, kurie šiuo metu priklauso nuo SiC, greičiausiai greitai pereis prie GaN dėl dviejų priežasčių: riboto prieinamumo ir didelių medžiagų kainos. Didėjant energijos poreikiams įvairiose pramonės šakose, pradedant duomenų centrais ir baigiant automobilių pramone, ankstyvas perėjimas prie GaN technologijos leis šioms įmonėms sutrumpinti laiką, kurio reikia norint pasivyti konkurentus ateityje.

Tiekimo grandinės požiūriu SiC yra brangesnis ir susiduria su tiekimo apribojimais, palyginti su GaN. Kadangi GaN gaminamas ant silicio plokštelių, didėjant rinkos paklausai jo kaina sparčiai mažėja, todėl galima tiksliau numatyti būsimą kainą ir konkurencingumą. Ir atvirkščiai, ribotas SiC tiekėjų skaičius ir ilgas pristatymo laikas, paprastai iki metų, gali padidinti sąnaudas ir turėti įtakos automobilių gamybos paklausai po 2025 m.

Kalbant apie mastelį, „GaN“ yra beveik „be galo“ keičiamas, nes jį galima gaminti ant silicio plokštelių, naudojant tą pačią įrangą kaip ir milijardai CMOS įrenginių. Netrukus GaN gali būti gaminamas ant 8 colių, 12 colių ir net 15 colių plokštelių, o SiC MOSFET paprastai gaminami ant 4 colių arba 6 colių plokštelių ir tik pradeda pereiti prie 8 colių plokštelių.

Kalbant apie technines charakteristikas, GaN šiuo metu yra greičiausias pasaulyje galios perjungimo įrenginys, siūlantis didesnį galios tankį ir išėjimo efektyvumą nei kiti puslaidininkiniai įrenginiai. Tai atneša didelės naudos vartotojams ir įmonėms, nesvarbu, ar tai mažesnių dydžių įrenginiai, greitesnis įkrovimas, ar mažesnės duomenų centrų aušinimo išlaidos ir energijos sąnaudos. GaN turi didžiulių pranašumų.

Sistemos, sukurtos naudojant GaN, rodo žymiai didesnį galios tankį, palyginti su SiC. Plintant GaN diegimui, nuolat atsiranda naujų mažesnių dydžių elektros energijos sistemų produktų, o SiC negali pasiekti tokio paties miniatiūrizavimo lygio. Pasak „GaN Systems“, jų pirmosios kartos įrenginių našumas jau pranoko naujausius penktos kartos SiC puslaidininkinius įrenginius. Kadangi GaN našumas per trumpą laiką pagerėja 5–10 kartų, šis našumo skirtumas turėtų didėti.

Be to, GaN įrenginiai turi reikšmingų pranašumų, tokių kaip mažas vartų įkrovimas, nulinis atvirkštinis atkūrimas ir plokščia išėjimo talpa, užtikrinanti aukštos kokybės perjungimo našumą. Vidutinės ir žemos įtampos, mažesnės nei 1200 V, atveju GaN perjungimo nuostoliai yra bent tris kartus mažesni nei SiC. Žvelgiant iš dažnio perspektyvos, dauguma silicio pagrindu pagamintų konstrukcijų šiuo metu veikia nuo 60 kHz iki 300 kHz. Nors SiC pagerėjo dažnis, GaN patobulinimai yra ryškesni, pasiekiant 500 kHz ir aukštesnius dažnius.

Kadangi SiC paprastai naudojamas 1200 V ir aukštesnei įtampai, o tik keli gaminiai tinka 650 V, jo taikymas tam tikrose konstrukcijose yra ribotas, pvz., 30–40 V plataus vartojimo elektronikoje, 48 V hibridinėse transporto priemonėse ir duomenų centruose, kurie visi yra svarbios rinkos. Todėl SiC vaidmuo šiose rinkose yra ribotas. Kita vertus, „GaN“ išsiskiria šiais įtampos lygiais, svariai prisidėdamas prie duomenų centrų, buitinės elektronikos, atsinaujinančios energijos, automobilių ir pramonės sektorių.

Siekdama padėti inžinieriams geriau suprasti GaN FET (lauko efekto tranzistorių) ir SiC veikimo skirtumus, „GaN Systems“ suprojektavo du 650 V, 15 A maitinimo šaltinius, naudodami atitinkamai SiC ir GaN, ir atliko išsamius lyginamuosius bandymus.

GaN ir SiC tarpusavio palyginimas

Palyginus GaN E-HEMT (patobulintą didelio elektronų mobilumo tranzistorių) su geriausiu savo klasėje SiC MOSFET didelės spartos perjungimo programose, buvo nustatyta, kad kai naudojamas sinchroniniuose DC-DC keitikliuose, keitiklis su GaN E- HEMT pasižymėjo daug didesniu efektyvumu nei su SiC MOSFET. Šis palyginimas aiškiai parodo, kad „GaN E-HEMT“ pranašesnis už geriausią SiC MOSFET pagal pagrindinius rodiklius, tokius kaip perjungimo greitis, parazitinė talpa, perjungimo nuostoliai ir šiluminis efektyvumas. Be to, palyginti su SiC, GaN E-HEMT turi reikšmingų pranašumų, nes galios keitikliai yra kompaktiškesni ir efektyvesni.

Kodėl „GaN“ tam tikromis sąlygomis gali viršyti SiC?

Šiandien tradicinė silicio technologija pasiekė savo ribas ir negali pasiūlyti daugybės GaN pranašumų, o SiC taikymas apsiriboja tam tikrais naudojimo scenarijais. Sąvoka „tam tikromis sąlygomis“ reiškia šių medžiagų apribojimus tam tikroms reikmėms. Pasaulyje, kuris vis labiau priklauso nuo elektros energijos, GaN ne tik pagerina esamų produktų pasiūlą, bet ir kuria naujoviškus sprendimus, padedančius įmonėms išlikti konkurencingoms.

GaN galios puslaidininkiams pereinant nuo ankstyvo pritaikymo prie masinės gamybos, pagrindinė verslo sprendimus priimančių asmenų užduotis yra pripažinti, kad GaN galios puslaidininkiai gali pasiūlyti aukštesnį bendrą našumo lygį. Tai ne tik padeda klientams padidinti rinkos dalį ir pelningumą, bet ir efektyviai sumažina veiklos sąnaudas bei kapitalo išlaidas.

Šių metų rugsėjį „Infineon“ ir „GaN Systems“ kartu pristatė naują ketvirtos kartos „Gallium Nitride“ platformą („Gen 4 GaN Power Platform“). Nuo 3,2 kW AI serverio maitinimo 2022 m. iki dabartinės ketvirtos kartos platformos jo efektyvumas ne tik pranoksta 80 Plus Titanium efektyvumo standartą, bet ir jo galios tankis padidėjo nuo 100 W/in³ iki 120 W/in³. Ši platforma ne tik nustato naujus energijos vartojimo efektyvumo ir dydžio etalonus, bet ir siūlo žymiai didesnį našumą.

Apibendrinant, nesvarbu, ar SiC įmonės įsigyja GaN įmones, ar GaN įmonės įsigyja SiC įmones, pagrindinė motyvacija yra plėsti savo rinką ir taikymo sritis. Galų gale, GaN ir SiC priklauso plačios juostos (WBG) medžiagoms, o būsimos ketvirtos kartos puslaidininkinės medžiagos, tokios kaip galio oksidas (Ga2O3) ir antimonidai, palaipsniui atsiras, sukurdami įvairią technologinę ekosistemą. Todėl šios medžiagos viena kitos nepakeičia, o kartu skatina pramonės augimą.**