GaN ja SiC: kooseksisteerimine või asendamine?

Suurema võimsustiheduse ja -tõhususe poole püüdlemisest on saanud innovatsiooni peamiseks tõukejõuks paljudes tööstusharudes, sealhulgas andmekeskused, taastuvenergia, tarbeelektroonika, elektrisõidukid ja autonoomsed sõidutehnoloogiad. Laia ribalaiusega (WBG) materjalide vallas on galliumnitriid (GaN) ja ränikarbiid (SiC) praegu kaks põhiplatvormi, mida peetakse pöördelisteks tööriistadeks, mis juhivad jõulise pooljuhtide uuendusi. Need materjalid muudavad jõuelektroonikatööstust põhjalikult, et rahuldada üha suurenevat nõudlust energia järele.

Tegelikult uurivad mõned SiC tööstuse juhtivad ettevõtted aktiivselt ka GaN-tehnoloogiat. Selle aasta märtsis omandas Infineon 830 miljoni dollari eest sularahas Kanada GaN idufirma GaN Systemsi. Samuti esitles ROHM hiljuti oma uusimaid SiC ja GaN tooteid PCIM Asias, pöörates erilist tähelepanu nende EcoGaN kaubamärgi GaN HEMT seadmetele. Seevastu 2022. aasta augustis omandas Navitas Semiconductor, mis algselt keskendus GaN-tehnoloogiale, GeneSiC-i, saades ainsaks ettevõtteks, mis on pühendunud järgmise põlvkonna jõupooljuhtide portfellile.

Tõepoolest, GaN ja SiC kattuvad jõudluse ja rakenduse stsenaariumides. Seetõttu on ülioluline hinnata nende kahe materjali rakenduspotentsiaali süsteemi vaatenurgast. Kuigi erinevatel tootjatel võivad uurimis- ja arendusprotsessi käigus olla oma seisukohad, on oluline neid igakülgselt hinnata mitmest aspektist, sealhulgas arengusuundadest, materjalikuludest, jõudlusest ja disainivõimalustest.

Millised on jõuelektroonikatööstuse peamised suundumused, millele GaN vastab?

Jim Witham, GaN Systemsi tegevjuht, ei ole otsustanud tagasi astuda nagu teised omandatud ettevõtete juhid; selle asemel jätkab ta sagedast avalikku esinemist. Hiljutises kõnes rõhutas ta GaN-i jõupooljuhtide tähtsust, märkides, et see tehnoloogia aitab elektrisüsteemide projekteerijatel ja tootjatel tegeleda kolme peamise suundumusega, mis praegu jõuelektroonikatööstust muudavad, kusjuures GaN mängib igas suundumuses üliolulist rolli.

GaN Systemsi tegevjuht Jim Witham

Esiteks energiatõhususe küsimus. Ennustatakse, et 2050. aastaks kasvab ülemaailmne energianõudlus üle 50%, mistõttu on hädavajalik optimeerida energiatõhusust ja kiirendada üleminekut taastuvenergiale. Praegune üleminek ei keskendu mitte ainult energiatõhususele, vaid hõlmab ka keerukamaid aspekte, nagu energiasõltumatus ja integreerimine peavooluvõrguga. GaN-tehnoloogia pakub energia- ja salvestusrakendustes olulisi energiasäästueeliseid. Näiteks võivad GaN-i kasutavad päikese mikroinverterid toota rohkem elektrit; GaN-i rakendus AC-DC muundamisel ja inverteritel võib vähendada akusalvestussüsteemides energia raiskamist kuni 50%.

Teiseks elektrifitseerimisprotsess, eriti transpordisektoris. Elektrisõidukid on alati olnud selle trendi keskmes. Elektrifitseerimine laieneb aga kahe- ja kolmerattalisele transpordile (näiteks jalgrattad, mootorrattad ja rikšad) tihedalt asustatud linnapiirkondades, eriti Aasias. Nende turgude küpsedes muutuvad GaN jõutransistoride eelised silmapaistvamaks ning GaN mängib elukvaliteedi ja keskkonnakaitse parandamisel otsustavat rolli.

Lõpuks on digitaalmaailmas toimumas tohutud muutused, et vastata reaalajas andmenõudlusele ja tehisintellekti (AI) kiirele arengule. Praegused andmekeskuste võimsuse muundamise ja jaotamise tehnoloogiad ei suuda täita kiiresti kasvavaid pilvandmetöötluse ja masinõppe nõudmisi, eriti energiat nõudvaid AI-rakendusi. Saavutades energiasäästu, vähendades jahutusvajadusi ja suurendades kuluefektiivsust, kujundab GaN-tehnoloogia ümber andmekeskuste toiteallika maastiku. Generatiivse AI ja GaN-tehnoloogia kombinatsioon loob andmekeskustele tõhusama, jätkusuutlikuma ja jõulisema tuleviku.

Ettevõtte juhi ja veendunud keskkonnakaitsjana usub Jim Witham, et GaN-tehnoloogia kiire areng mõjutab oluliselt erinevaid energiast sõltuvaid tööstusharusid ja avaldab sügavat mõju maailmamajandusele. Samuti nõustub ta turuennustustega, et GaN-i võimsuspooljuhtide tulud ulatuvad järgmise viie aasta jooksul 6 miljardi dollarini, märkides, et GaN-tehnoloogia pakub konkurentsis SiC-ga ainulaadseid eeliseid ja võimalusi.

Kuidas on GaN konkurentsieelise osas SiC-ga võrreldav?

Varem oli GaN-i võimsuspooljuhtide kohta väärarusaamu, paljud arvasid, et need sobivad paremini olmeelektroonika laadimisrakenduste jaoks. Peamine erinevus GaN ja SiC vahel seisneb siiski nende pingevahemiku rakendustes. GaN toimib paremini madal- ja keskpingerakendustes, samas kui SiC kasutatakse peamiselt kõrgepingerakendustes, mis ületavad 1200 V. Sellegipoolest hõlmab nende kahe materjali valik pinge, jõudluse ja kulutegurite arvestamist.

Näiteks 2023. aasta PCIM Europe'i näitusel esitles GaN Systems GaN-lahendusi, mis demonstreerisid märkimisväärseid edusamme võimsustiheduse ja tõhususe osas. Võrreldes SiC transistoride konstruktsioonidega saavutasid GaN-põhised 11kW/800V sisseehitatud laadijad (OBC) 36% suurema võimsustiheduse ja 15% väiksema materjalikulu. See disain integreerib ka kolmetasandilise lendava kondensaatori topoloogia silladeta totempooluse PFC konfiguratsioonis ja kahe aktiivse silla tehnoloogias, vähendades pingepinget 50%, kasutades GaN-transistore.

Elektrisõidukite kolmes peamises rakenduses – sisseehitatud laadijad (OBC), alalis-alalisvoolu muundurid ja veojõumuundurid – on GaN Systems teinud koostööd Toyotaga, et töötada välja ainult GaN auto prototüüp, pakkudes tootmisvalmis OBC lahendusi Ameerika elektrisõidukite käivitamiseks. Canoo ja koostöös Vitesco Technologiesiga, et töötada välja GaN alalis-alalisvoolu muundurid 400 V ja 800 V elektriliste elektrisüsteemide jaoks, pakkudes autotootjatele rohkem valikuvõimalusi.

Jim Witham usub, et praegu ränikarbiidist sõltuvad kliendid lähevad tõenäoliselt kiiresti GaN-ile üle kahel põhjusel: materjalide piiratud kättesaadavus ja kõrge hind. Kuna energiavajadus suureneb erinevates tööstusharudes, alates andmekeskustest kuni autotööstuseni, võimaldab varajane üleminek GaN-tehnoloogiale nendel ettevõtetel lühendada aega, mis kulub tulevikus konkurentidele järele jõudmiseks.

Tarneahela vaatenurgast on SiC kallim ja seisab silmitsi tarnepiirangutega võrreldes GaN-iga. Kuna GaN toodetakse räniplaatidel, langeb selle hind turunõudluse suurenedes kiiresti ning tulevast hinda ja konkurentsivõimet on võimalik täpsemalt prognoosida. Seevastu ränikarbiidi tarnijate piiratud arv ja pikad tarneajad, tavaliselt kuni aasta, võivad suurendada kulusid ja mõjutada nõudlust autotööstuse järele pärast 2025. aastat.

Skaleeritavuse osas on GaN peaaegu "lõpmatult" skaleeritav, kuna seda saab toota räniplaatidel, kasutades samu seadmeid kui miljardeid CMOS-seadmeid. GaN-i saab peagi toota 8-, 12- ja isegi 15-tollistel vahvlitel, samas kui SiC MOSFETe toodetakse tavaliselt 4- või 6-tollistel vahvlitel ja alles hakatakse üle minema 8-tollistele vahvlitele.

Tehnilise jõudluse poolest on GaN praegu maailma kiireim toitelülitusseade, mis pakub suuremat võimsustihedust ja väljundefektiivsust kui teised pooljuhtseadmed. See toob tarbijatele ja ettevõtetele märkimisväärset kasu, olgu siis väiksemate seadmete, kiiremate laadimiskiiruste või andmekeskuste väiksemate jahutuskulude ja energiatarbimisega. GaN-il on tohutud eelised.

GaN-iga ehitatud süsteemid näitavad SiC-ga võrreldes oluliselt suuremat võimsustihedust. Kuna GaN-i kasutuselevõtt levib, ilmuvad pidevalt uued väiksema suurusega elektrisüsteemitooted, samas kui SiC ei suuda saavutada sama miniatuursuse taset. GaN Systemsi andmetel on nende esimese põlvkonna seadmete jõudlus juba ületanud uusimate viienda põlvkonna SiC pooljuhtseadmete oma. Kuna GaN-i jõudlus paraneb lühikese aja jooksul 5–10 korda, peaks see jõudluse lõhe suurenema.

Lisaks on GaN-seadmetel olulisi eeliseid, nagu madal paiselaeng, null-tagurpiditaaste ja lame väljundmahtuvus, mis võimaldavad kvaliteetset lülitusjõudlust. Keskmise ja madala pingega rakendustes alla 1200 V on GaN lülituskaod vähemalt kolm korda väiksemad kui SiC. Sageduse vaatenurgast töötab enamik ränipõhiseid konstruktsioone praegu vahemikus 60 kHz kuni 300 kHz. Kuigi SiC sagedus on paranenud, on GaN-i täiustused rohkem väljendunud, saavutades 500 kHz ja kõrgemad sagedused.

Kuna ränikarbiidi kasutatakse tavaliselt 1200 V ja kõrgemate pingete jaoks ning 650 V jaoks sobivad vaid mõned tooted, on selle kasutamine teatud konstruktsioonide puhul piiratud, näiteks 30–40 V olmeelektroonikas, 48 ​​V hübriidsõidukites ja andmekeskustes, mis kõik on olulised turud. Seetõttu on ränikarbiidi roll neil turgudel piiratud. GaN aga paistab silma nende pingetasemetega, andes märkimisväärse panuse andmekeskustes, olmeelektroonikas, taastuvenergias, autotööstuses ja tööstussektoris.

Et aidata inseneridel paremini mõista GaN-i FET-ide (väljatransistoride) ja SiC-i jõudluse erinevusi, kavandas GaN Systems kaks 650 V, 15A toiteallikat, kasutades vastavalt SiC ja GaN-i, ning viis läbi üksikasjalikud võrdlustestid.

GaN vs SiC otsene võrdlus

Võrreldes GaN E-HEMT-i (Enhanced High Electron Mobility Transistor) oma klassi parima SiC MOSFET-iga kiiretes lülitusrakendustes, leiti, et kui seda kasutatakse sünkroonsetes alalisvoolu-alalisvoolumuundurites, siis GaN E-muunduriga muundur. HEMT-l oli palju suurem efektiivsus kui SiC MOSFET-iga. See võrdlus näitab selgelt, et GaN E-HEMT edestab parimat SiC MOSFET-i sellistes võtmenäitajates nagu lülituskiirus, parasiitmahtuvus, lülituskaod ja termiline jõudlus. Lisaks on GaN E-HEMT-l SiC-ga võrreldes olulisi eeliseid kompaktsemate ja tõhusamate võimsusmuundurite konstruktsioonide saavutamisel.

Miks võiks GaN teatud tingimustes SiC-d potentsiaalselt ületada?

Tänaseks on traditsiooniline ränitehnoloogia jõudnud oma piiridesse ega suuda pakkuda GaN-i arvukaid eeliseid, samas kui SiC-i rakendus on piiratud konkreetsete kasutusstsenaariumitega. Mõiste "teatud tingimustel" viitab nende materjalide piirangutele konkreetsetes rakendustes. Maailmas, mis sõltub üha enam elektrist, ei paranda GaN mitte ainult olemasolevaid tooteid, vaid loob ka uuenduslikke lahendusi, mis aitavad ettevõtetel konkurentsis püsida.

Kuna GaN-i toitepooljuhid lähevad üle varakult kasutuselevõtult masstootmisele, on äriotsuste langetajate esmane ülesanne mõista, et GaN-i võimsuspooljuhid võivad pakkuda kõrgemat üldist jõudlust. See mitte ainult ei aita klientidel suurendada turuosa ja kasumlikkust, vaid vähendab tõhusalt ka tegevuskulusid ja kapitalikulusid.

Selle aasta septembris käivitasid Infineon ja GaN Systems ühiselt uue neljanda põlvkonna Gallium Nitride platvormi (Gen 4 GaN Power Platform). Alates 2022. aasta 3,2 kW AI-serveri toiteallikast kuni praeguse neljanda põlvkonna platvormini ei ületa selle efektiivsus mitte ainult 80 Plus Titanium efektiivsusstandardit, vaid ka võimsustihedus on kasvanud 100 W/in³-lt 120 W/in³-le. See platvorm ei sea mitte ainult uusi võrdlusaluseid energiatõhususe ja suuruse osas, vaid pakub ka oluliselt paremat jõudlust.

Kokkuvõtlikult võib öelda, et olenemata sellest, kas tegemist on GaN-i ettevõtteid omandavate SiC-ettevõtete või SiC-ettevõtteid omandavate GaN-ettevõtetega, on aluseks ajend laiendada oma turgu ja rakendusvaldkondi. Lõppude lõpuks kuuluvad GaN ja SiC mõlemad laia ribalaiusega (WBG) materjalide hulka ning tulevased neljanda põlvkonna pooljuhtmaterjalid, nagu galliumoksiid (Ga2O3) ja antimoniidid, tekivad järk-järgult, luues mitmekesise tehnoloogilise ökosüsteemi. Seetõttu ei asenda need materjalid üksteist, vaid pigem soodustavad ühiselt tööstuse kasvu.**