GaN és SiC: együttélés vagy helyettesítés?

A nagyobb teljesítménysűrűség és hatékonyság iránti törekvés az innováció elsődleges mozgatórugójává vált számos iparágban, beleértve az adatközpontokat, a megújuló energiát, a fogyasztói elektronikát, az elektromos járműveket és az autonóm vezetési technológiákat. A széles sávszélességű (WBG) anyagok területén jelenleg a gallium-nitrid (GaN) és a szilícium-karbid (SiC) a két központi platform, amelyek kulcsfontosságú eszköznek tekintik a teljesítmény-félvezető innovációt. Ezek az anyagok alaposan átalakítják a teljesítményelektronikai ipart, hogy megfeleljenek az egyre növekvő energiaigénynek.

Valójában a SiC iparág néhány vezető vállalata is aktívan kutatja a GaN technológiát. Ez év márciusában az Infineon felvásárolta a kanadai GaN startup GaN Systems céget 830 millió dollár készpénzért. Hasonlóképpen, a ROHM nemrégiben bemutatta legújabb SiC és GaN termékeit a PCIM Asia kiállításon, különös tekintettel az EcoGaN márkájú GaN HEMT eszközeire. Ezzel szemben 2022 augusztusában a Navitas Semiconductor, amely eredetileg a GaN technológiára összpontosított, felvásárolta a GeneSiC-et, és ezzel az egyetlen vállalat lett, amely elkötelezett a következő generációs félvezető-portfólióval.

Valójában a GaN és a SiC bizonyos átfedéseket mutat a teljesítményben és az alkalmazási forgatókönyvekben. Ezért kulcsfontosságú e két anyag alkalmazási potenciáljának rendszerszempontból történő értékelése. Bár a különböző gyártóknak megvannak a saját nézőpontjaik a K+F folyamat során, alapvető fontosságú, hogy ezeket több szempontból is átfogóan értékeljék, beleértve a fejlesztési trendeket, az anyagköltségeket, a teljesítményt és a tervezési lehetőségeket.

Melyek azok a kulcsfontosságú trendek a teljesítményelektronikai iparban, amelyeknek a GaN megfelel?

Jim Witham, a GaN Systems vezérigazgatója nem úgy döntött, hogy visszalép, mint a felvásárolt cégek más vezetői; ehelyett továbbra is gyakran szerepel nyilvánosan. A közelmúltban egy beszédében hangsúlyozta a GaN teljesítmény-félvezetők fontosságát, megjegyezve, hogy ez a technológia segíteni fogja az energiaellátó rendszerek tervezőit és gyártóit abban, hogy megbirkózzanak három kulcsfontosságú trenddel, amelyek jelenleg átalakítják a teljesítményelektronikai ipart, és a GaN kulcsszerepet játszik az egyes irányzatokban.

A GaN Systems vezérigazgatója, Jim Witham

Először is az energiahatékonyság kérdése. Az előrejelzések szerint 2050-re a globális energiaigény több mint 50%-kal megnövekszik, ami elengedhetetlenné teszi az energiahatékonyság optimalizálását és a megújuló energiára való átállás felgyorsítását. A jelenlegi átállás nemcsak az energiahatékonyságra összpontosít, hanem kiterjed a nagyobb kihívást jelentő szempontokra is, mint például az energiafüggetlenség és a fő áramhálózatba való integráció. A GaN technológia jelentős energiamegtakarítási előnyöket kínál az energia- és tárolási alkalmazásokban. Például a GaN-t használó szoláris mikroinverterek több villamos energiát tudnak termelni; A GaN alkalmazása az AC-DC konverzióban és az inverterekben akár 50%-kal is csökkentheti az energiapazarlást az akkumulátortároló rendszerekben.

Másodszor, a villamosítási folyamat, különösen a közlekedési ágazatban. Az elektromos járművek mindig is ennek a trendnek a középpontjában álltak. A villamosítás azonban a sűrűn lakott városi területeken, különösen Ázsiában, a két- és háromkerekű közlekedésre (például kerékpárok, motorkerékpárok és riksák) terjed ki. Ahogy ezek a piacok érnek, a GaN teljesítménytranzisztorok előnyei egyre hangsúlyosabbak lesznek, és a GaN döntő szerepet fog játszani az életminőség és a környezetvédelem javításában.

Végül, a digitális világ hatalmas változásokon megy keresztül, hogy megfeleljen a valós idejű adatigényeknek és a mesterséges intelligencia (AI) gyors fejlődésének. Az adatközpontok jelenlegi energiaátalakítási és -elosztási technológiái nem tudnak lépést tartani a felhőalapú számítástechnika és a gépi tanulás, különösen az energiaigényes AI-alkalmazások által támasztott gyorsan növekvő igényekkel. Az energiamegtakarítás, a hűtési igények csökkentése és a költséghatékonyság fokozása révén a GaN technológia átformálja az adatközpontok tápellátási környezetét. A generatív mesterséges intelligencia és a GaN technológia kombinációja hatékonyabb, fenntarthatóbb és robusztusabb jövőt teremt az adatközpontok számára.

Jim Witham üzleti vezetőként és elkötelezett környezetvédőként úgy véli, hogy a GaN technológia gyors fejlődése jelentős hatással lesz a különféle energiafüggő iparágakra, és mélyreható hatással lesz a globális gazdaságra. Egyetért a piaci előrejelzésekkel is, miszerint a GaN teljesítmény-félvezetőkből származó bevétele a következő öt évben eléri a 6 milliárd dollárt, megjegyezve, hogy a GaN technológia egyedülálló előnyöket és lehetőségeket kínál a SiC-vel való versenyben.

Hogyan viszonyul a GaN a SiC-hez a versenyelőny szempontjából?

A múltban volt néhány tévhit a GaN teljesítmény-félvezetőkkel kapcsolatban, sokan úgy vélték, hogy alkalmasabbak a szórakoztatóelektronikai töltési alkalmazásokhoz. A GaN és a SiC közötti elsődleges különbség azonban a feszültségtartományban rejlik. A GaN jobban teljesít alacsony és közepes feszültségű alkalmazásokban, míg a SiC-t főként 1200 V feletti nagyfeszültségű alkalmazásokhoz használják. Ennek ellenére a két anyag közötti választás során figyelembe kell venni a feszültséget, a teljesítményt és a költségtényezőket.

Például a 2023-as PCIM Europe kiállításon a GaN Systems olyan GaN-megoldásokat mutatott be, amelyek jelentős előrelépést tettek az energiasűrűség és a hatékonyság terén. A SiC tranzisztoros kialakításokhoz képest a GaN alapú 11 kW/800 V-os beépített töltők (OBC) 36%-kal növelték a teljesítménysűrűséget és 15%-kal csökkentették az anyagköltségeket. Ez a kialakítás egy háromszintű repülő kondenzátor topológiát is integrál egy híd nélküli totempólusú PFC konfigurációba és kettős aktív hídtechnológiát, amely 50%-kal csökkenti a feszültségfeszültséget GaN tranzisztorok használatával.

Az elektromos járművek három kulcsfontosságú alkalmazásában – fedélzeti töltőkben (OBC), DC-DC átalakítókban és vontatási inverterekben – a GaN Systems együttműködött a Toyotával egy teljesen GaN autó prototípus kifejlesztésében, amely gyártásra kész OBC-megoldásokat biztosított az amerikai elektromos járművek startup számára. A Canoo és a Vitesco Technologies partnereként GaN DC-DC átalakítókat fejlesztettek ki 400 V-os és 800 V-os elektromos áramellátó rendszerekhez, így több választási lehetőséget kínálnak az autógyártók számára.

Jim Witham úgy véli, hogy a jelenleg SiC-re támaszkodó ügyfelek valószínűleg gyorsan áttérnek a GaN-re két okból: a korlátozott elérhetőség és az anyagok magas költsége miatt. Ahogy a különböző iparágakban – az adatközpontoktól az autóiparig – növekszik az energiaigény, a GaN technológiára való korai átállás lehetővé teszi ezeknek a vállalkozásoknak, hogy lerövidítsék a versenytársak jövőbeli felzárkózásához szükséges időt.

Az ellátási lánc szemszögéből nézve a SiC drágább és ellátási korlátokkal szembesül a GaN-hez képest. Mivel a GaN-t szilícium ostyákon állítják elő, ára a növekvő piaci kereslet hatására gyorsan csökken, így a jövőbeni ár és versenyképesség is pontosabban megjósolható. Ezzel szemben a szilícium-karbid-beszállítók korlátozott száma és a hosszú, jellemzően egy évig tartó átfutási idő növelheti a költségeket, és 2025 után is hatással lehet az autógyártás iránti keresletre.

A GaN méretezhetőségét tekintve szinte „végtelenül” skálázható, mert szilícium lapkákon is gyártható ugyanazzal a berendezéssel, mint több milliárd CMOS eszköz. A GaN hamarosan 8 hüvelykes, 12 hüvelykes, sőt 15 hüvelykes ostyákon is előállítható, míg a SiC MOSFET-eket jellemzően 4 hüvelykes vagy 6 hüvelykes ostyákon gyártják, és most kezdik áttérni a 8 hüvelykes ostyákra.

Technikai teljesítményét tekintve a GaN jelenleg a világ leggyorsabb teljesítménykapcsoló eszköze, nagyobb teljesítménysűrűséget és kimeneti hatékonyságot kínál, mint a többi félvezető eszköz. Ez jelentős előnyökkel jár a fogyasztók és a vállalkozások számára, legyen szó kisebb eszközméretről, gyorsabb töltési sebességről, vagy az adatközpontok alacsonyabb hűtési költségeiről és energiafogyasztásáról. A GaN óriási előnyökkel jár.

A GaN-nel épített rendszerek lényegesen nagyobb teljesítménysűrűséget mutatnak a SiC-hez képest. A GaN elterjedésével folyamatosan új, kisebb méretű energiarendszer-termékek jelennek meg, míg a SiC nem tudja elérni ugyanazt a miniatürizálási szintet. A GaN Systems szerint az első generációs eszközeik teljesítménye már túlszárnyalta a legújabb ötödik generációs SiC félvezető eszközökét. Mivel a GaN teljesítménye rövid távon 5-10-szeresére javul, ez a teljesítménybeli különbség várhatóan tovább nő.

Ezen túlmenően a GaN eszközök jelentős előnyökkel is rendelkeznek, mint például az alacsony kaputöltés, a nulla visszatérítés és a lapos kimeneti kapacitás, amelyek lehetővé teszik a kiváló minőségű kapcsolási teljesítményt. 1200 V alatti közepes és alacsony feszültségű alkalmazásokban a GaN kapcsolási veszteségei legalább háromszor kisebbek, mint a SiC. Frekvencia szempontból a legtöbb szilícium alapú kialakítás jelenleg 60 kHz és 300 kHz között működik. Bár a SiC frekvenciája javult, a GaN javulása hangsúlyosabb, 500 kHz-et és magasabb frekvenciákat ér el.

Mivel a SiC-ot jellemzően 1200 V-os és magasabb feszültségekhez használják, és csak néhány termék alkalmas 650 V-ra, alkalmazása korlátozott bizonyos kivitelekben, mint például a 30-40 V-os fogyasztói elektronika, 48 V-os hibrid járművek és adatközpontok, amelyek mindegyike fontos piac. Ezért a SiC szerepe ezeken a piacokon korlátozott. A GaN viszont ezekben a feszültségszintekben jeleskedik, jelentős mértékben hozzájárulva az adatközpontok, a fogyasztói elektronika, a megújuló energia, az autóipar és az ipari szektorok területén.

Annak érdekében, hogy a mérnökök jobban megértsék a GaN FET-ek (Field Effect Tranzisztorok) és a SiC közötti teljesítménybeli különbségeket, a GaN Systems két 650 V-os, 15 A-es tápegységet tervezett SiC és GaN felhasználásával, és részletes összehasonlító teszteket végzett.

GaN vs SiC fej-fej összehasonlítás

A GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) és a kategóriájában a legjobb SiC MOSFET összehasonlítása a nagy sebességű kapcsolási alkalmazásokban azt találta, hogy a szinkron buck DC-DC átalakítókban való használat során a GaN E- A HEMT sokkal nagyobb hatékonyságot mutatott, mint a SiC MOSFET. Ez az összehasonlítás egyértelműen azt mutatja, hogy a GaN E-HEMT felülmúlja a legjobb SiC MOSFET-et olyan kulcsfontosságú mutatókban, mint a kapcsolási sebesség, a parazita kapacitás, a kapcsolási veszteségek és a hőteljesítmény. Ezenkívül a SiC-hez képest a GaN E-HEMT jelentős előnyökkel rendelkezik a kompaktabb és hatékonyabb teljesítményátalakítók kialakításában.

Miért teljesítheti a GaN potenciálisan a SiC-t bizonyos körülmények között?

Mára a hagyományos szilícium technológia elérte korlátait, és nem tudja biztosítani azt a számos előnyt, amivel a GaN rendelkezik, míg a SiC alkalmazása meghatározott felhasználási forgatókönyvekre korlátozódik. A „bizonyos feltételek mellett” kifejezés ezen anyagok korlátaira utal bizonyos alkalmazásokban. Az egyre inkább az elektromosságra támaszkodó világban a GaN nemcsak javítja a meglévő termékkínálatot, hanem innovatív megoldásokat is létrehoz, amelyek segítik a vállalkozásokat a versenyképesség megőrzésében.

Ahogy a GaN teljesítmény-félvezetők a korai bevezetésről a tömegtermelésre állnak át, az üzleti döntéshozók elsődleges feladata annak felismerése, hogy a GaN teljesítmény-félvezetők magasabb szintű általános teljesítményt nyújthatnak. Ez nemcsak a piaci részesedés és a jövedelmezőség növelésében segíti az ügyfeleket, hanem hatékonyan csökkenti a működési költségeket és a tőkekiadásokat is.

Ez év szeptemberében az Infineon és a GaN Systems közösen elindította az új, negyedik generációs Gallium Nitride platformot (Gen 4 GaN Power Platform). A 2022-es 3,2 kW-os mesterséges intelligencia szerver tápegységétől a jelenlegi negyedik generációs platformig hatékonysága nemcsak a 80 Plus Titanium hatékonysági szabványt haladja meg, hanem a teljesítménysűrűsége is 100 W/in³-ról 120 W/in³-ra nőtt. Ez a platform nemcsak új mércét állít fel az energiahatékonyság és a méret terén, hanem lényegesen jobb teljesítményt is kínál.

Összefoglalva, legyen szó SiC-cégekről vagy SiC-cégeket felvásárló GaN-cégekről, a mögöttes motiváció a piaci és alkalmazási területük bővítése. Végtére is, a GaN és a SiC egyaránt a szélessávú (WBG) anyagok közé tartozik, és a jövőbeni negyedik generációs félvezető anyagok, mint például a gallium-oxid (Ga2O3) és az antimonidok fokozatosan megjelennek, diverzifikált technológiai ökoszisztémát hozva létre. Ezért ezek az anyagok nem helyettesítik egymást, hanem együttesen ösztönzik az iparág növekedését.**