GaN ja SiC: rinnakkaiselo vai korvaaminen?

Tehontiheyden ja tehokkuuden lisäämisestä on tullut ensisijainen innovaation veturi useilla toimialoilla, mukaan lukien datakeskukset, uusiutuva energia, kulutuselektroniikka, sähköajoneuvot ja autonomiset ajotekniikat. Leveän kaistavälin (WBG) materiaalien alueella galliumnitridi (GaN) ja piikarbidi (SiC) ovat tällä hetkellä kaksi ydinalustaa, joita pidetään keskeisinä työkaluina, jotka johtavat tehopuolijohteiden innovaatioihin. Nämä materiaalit muuttavat perusteellisesti tehoelektroniikkateollisuutta vastaamaan jatkuvasti kasvavaan virrantarpeeseen.

Itse asiassa jotkut piikarbiditeollisuuden johtavat yritykset tutkivat aktiivisesti GaN-teknologiaa. Tämän vuoden maaliskuussa Infineon osti kanadalaisen GaN-startup GaN Systemsin 830 miljoonalla dollarilla käteisellä. Samoin ROHM esitteli äskettäin uusimmat SiC- ja GaN-tuotteensa PCIM Asiassa, painottaen erityisesti EcoGaN-brändinsä GaN HEMT -laitteita. Sitä vastoin elokuussa 2022 alun perin GaN-teknologiaan keskittynyt Navitas Semiconductor osti GeneSiC:n, ja siitä tuli ainoa yritys, joka on omistautunut seuraavan sukupolven tehopuolijohdevalikoimaan.

GaN:n ja SiC:n suorituskyvyn ja sovellusten skenaariot ovat todellakin päällekkäisiä. Siksi on ratkaisevan tärkeää arvioida näiden kahden materiaalin käyttömahdollisuudet järjestelmän näkökulmasta. Vaikka eri valmistajilla voi olla omat näkemyksensä T&K-prosessin aikana, on olennaista arvioida niitä kattavasti useista näkökohdista, mukaan lukien kehitystrendit, materiaalikustannukset, suorituskyky ja suunnittelumahdollisuudet.

Mitkä ovat tehoelektroniikkateollisuuden tärkeimmät trendit, jotka GaN kohtaa?

Jim Witham, GaN Systemsin toimitusjohtaja, ei ole päättänyt vetäytyä, kuten muut hankittujen yritysten johtajat; sen sijaan hän esiintyy jatkuvasti julkisissa esiintymisissä. Äskettäin pitämässään puheessa hän korosti GaN-tehopuolijohteiden merkitystä ja huomautti, että tämä tekniikka auttaa tehojärjestelmien suunnittelijoita ja valmistajia käsittelemään kolmea avaintrendiä, jotka muuttavat tällä hetkellä tehoelektroniikkateollisuutta, ja GaN:llä on ratkaiseva rooli kussakin trendissä.

GaN Systemsin toimitusjohtaja Jim Witham

Ensinnäkin kysymys energiatehokkuudesta. Globaalin sähkön kysynnän ennustetaan kasvavan yli 50 % vuoteen 2050 mennessä, mikä tekee välttämättömäksi optimoida energiatehokkuutta ja nopeuttaa siirtymistä uusiutuvaan energiaan. Nykyinen siirtymä ei keskity pelkästään energiatehokkuuteen, vaan se ulottuu myös haastavampiin näkökohtiin, kuten energiariippumattomuuteen ja integraatioon valtavirran sähköverkkoon. GaN-teknologia tarjoaa merkittäviä energiansäästöetuja energia- ja varastointisovelluksissa. Esimerkiksi GaN:ää käyttävät aurinkomikroinvertterit voivat tuottaa enemmän sähköä; GaN:n sovellus AC-DC-muunnoksessa ja invertterit voivat vähentää energian hukkaa akkuvarastointijärjestelmissä jopa 50 %.

Toiseksi sähköistysprosessi, erityisesti kuljetusalalla. Sähköautot ovat aina olleet tämän trendin painopiste. Sähköistys on kuitenkin laajentumassa kaksi- ja kolmipyöräisiin kuljetuksiin (kuten polkupyöriin, moottoripyöriin ja riksoihin) tiheästi asutuilla kaupunkialueilla, erityisesti Aasiassa. Kun nämä markkinat kypsyvät, GaN-tehotransistoreiden edut korostuvat, ja GaN:lla on ratkaiseva rooli elämänlaadun ja ympäristönsuojelun parantamisessa.

Lopuksi, digitaalinen maailma on läpikäymässä valtavia muutoksia vastatakseen reaaliaikaisten tietojen vaatimuksiin ja tekoälyn (AI) nopeaan kehitykseen. Nykyiset palvelinkeskusten virranmuunnos- ja jakelutekniikat eivät pysty vastaamaan pilvipalvelun ja koneoppimisen, erityisesti tehoa vaativien tekoälysovellusten, tuomiin nopeasti kasvaviin vaatimuksiin. Saavuttamalla energiansäästön, vähentämällä jäähdytysvaatimuksia ja parantamalla kustannustehokkuutta GaN-tekniikka muokkaa datakeskusten virtalähdemaailmaa. Generatiivisen tekoälyn ja GaN-teknologian yhdistelmä luo tehokkaamman, kestävämmän ja vankemman tulevaisuuden datakeskuksille.

Yritysjohtajana ja vankkumattomana ympäristön puolestapuhujana Jim Witham uskoo, että GaN-teknologian nopea kehitys tulee vaikuttamaan merkittävästi eri tehosta riippuvaisiin teollisuudenaloihin ja sillä on syvällisiä vaikutuksia maailmantalouteen. Hän on myös samaa mieltä markkinoiden ennusteiden kanssa siitä, että GaN-tehopuolijohteiden liikevaihto nousee 6 miljardiin dollariin seuraavan viiden vuoden aikana. Hän huomauttaa, että GaN-teknologia tarjoaa ainutlaatuisia etuja ja mahdollisuuksia kilpailla SiC:n kanssa.

Miten GaN vertaa SiC:tä kilpailuedun suhteen?

Aiemmin GaN-tehopuolijohteista oli joitain väärinkäsityksiä, ja monet uskoivat, että ne sopivat paremmin kulutuselektroniikan lataussovelluksiin. Pääasiallinen ero GaN:n ja SiC:n välillä on kuitenkin niiden jännitealuesovelluksissa. GaN toimii paremmin matala- ja keskijännitesovelluksissa, kun taas SiC:tä käytetään pääasiassa korkeajännitesovelluksissa, jotka ylittävät 1200 V. Kuitenkin näiden kahden materiaalin välillä valittaessa on otettava huomioon jännite, suorituskyky ja kustannustekijät.

Esimerkiksi vuoden 2023 PCIM Europe -näyttelyssä GaN Systems esitteli GaN-ratkaisuja, jotka osoittivat merkittäviä edistysaskeleita tehotiheyden ja tehokkuuden suhteen. SiC-transistorimalleihin verrattuna GaN-pohjaiset 11kW/800V sisäiset laturit (OBC) lisäsivät tehotiheyttä 36 % ja alensivat materiaalikustannuksia 15 %. Tämä malli integroi myös kolmitasoisen lentävän kondensaattorin topologian sillattomaan toteeminapaiseen PFC-konfiguraatioon ja kaksoisaktiiviseen siltatekniikkaan, mikä vähentää jänniterasitusta 50 % käyttämällä GaN-transistoreja.

Sähköajoneuvojen kolmessa keskeisessä sovelluksessa – sisäiset laturit (OBC), DC-DC-muuntimet ja vetoinvertterit – GaN Systems on tehnyt yhteistyötä Toyotan kanssa kehittääkseen täysin GaN-auton prototyypin, tarjoten tuotantovalmiita OBC-ratkaisuja amerikkalaiselle sähköautolle. Canoo ja yhteistyössä Vitesco Technologiesin kanssa kehittääkseen GaN DC-DC -muuntimia 400 V:n ja 800 V:n sähkökäyttöisille sähköjärjestelmille, jotka tarjoavat enemmän vaihtoehtoja autonvalmistajille.

Jim Witham uskoo, että tällä hetkellä piikarbidista riippuvaiset asiakkaat siirtyvät nopeasti GaN:ään kahdesta syystä: materiaalien rajallisesta saatavuudesta ja korkeasta hinnasta. Tehontarpeen kasvaessa eri toimialoilla datakeskuksista autoteollisuuteen, varhainen siirtyminen GaN-teknologiaan antaa näille yrityksille mahdollisuuden lyhentää aikaa, joka tarvitaan kilpailijoiden kuromiseen kiinni tulevaisuudessa.

Toimitusketjun näkökulmasta piikarbidi on GaN:ään verrattuna kalliimpaa ja sen toimitusrajoituksia. Koska GaN valmistetaan piikiekoilla, sen hinta laskee nopeasti kasvavan markkinakysynnän myötä ja tulevaisuuden hinta ja kilpailukyky voidaan ennustaa tarkemmin. Toisaalta piikarbidin toimittajien rajallinen määrä ja pitkät toimitusajat, tyypillisesti jopa vuoden, voivat lisätä kustannuksia ja vaikuttaa autoteollisuuden kysyntään vuoden 2025 jälkeen.

Skaalautuvuuden kannalta GaN on lähes "lopetta" skaalautuva, koska se voidaan valmistaa piikiekoilla samoilla laitteilla kuin miljardit CMOS-laitteet. GaN voidaan pian valmistaa 8 tuuman, 12 tuuman ja jopa 15 tuuman kiekoilla, kun taas SiC MOSFETit valmistetaan tyypillisesti 4 tuuman tai 6 tuuman kiekoilla ja ovat vasta siirtymässä 8 tuuman kiekkoihin.

Tekniseltä suorituskyvyltään GaN on tällä hetkellä maailman nopein virrankytkentälaite, joka tarjoaa korkeamman tehotiheyden ja tehokkuuden kuin muut puolijohdelaitteet. Tämä tuo merkittäviä etuja kuluttajille ja yrityksille, olipa kyseessä pienempi laitekoko, nopeampi latausnopeus tai pienemmät jäähdytyskustannukset ja datakeskusten energiankulutus. GaN esittelee valtavia etuja.

GaN:lla rakennetuilla järjestelmillä on huomattavasti korkeampi tehotiheys verrattuna SiC:iin. GaN:n käyttöönoton levitessä uusia, pienempikokoisia sähköjärjestelmätuotteita ilmaantuu jatkuvasti, kun taas piikarbidi ei voi saavuttaa samaa miniatyrisointitasoa. GaN Systemsin mukaan heidän ensimmäisen sukupolven laitteidensa suorituskyky on jo ylittänyt uusimpien viidennen sukupolven SiC-puolijohdelaitteiden suorituskyvyn. Koska GaN-suorituskyky paranee 5-10 kertaa lyhyellä aikavälillä, tämän suorituskykyeron odotetaan kasvavan.

Lisäksi GaN-laitteilla on merkittäviä etuja, kuten alhainen porttivaraus, nolla paluupalautus ja tasainen lähtökapasitanssi, mikä mahdollistaa korkealaatuisen kytkentäsuorituskyvyn. Keski- ja matalajännitesovelluksissa alle 1200 V:n GaN:n kytkentähäviöt ovat vähintään kolme kertaa pienemmät kuin SiC. Taajuuden näkökulmasta useimmat piipohjaiset mallit toimivat tällä hetkellä 60 kHz:n ja 300 kHz:n välillä. Vaikka SiC on parantunut taajuudessa, GaN:n parannukset ovat selvempiä, saavuttaen 500 kHz ja korkeammat taajuudet.

Koska piikarbidia käytetään tyypillisesti 1 200 V:n ja sitä korkeammilla jännitteillä, ja vain muutama tuote soveltuu 650 V:lle, sen käyttö on rajoitettua tietyissä malleissa, kuten 30–40 V kulutuselektroniikassa, 48 V hybridiajoneuvoissa ja datakeskuksissa, jotka kaikki ovat tärkeitä markkinoita. Siksi piikarbidin rooli näillä markkinoilla on rajallinen. GaN puolestaan ​​loistaa näillä jännitetasoilla ja antaa merkittävän panoksen datakeskuksissa, kulutuselektroniikassa, uusiutuvassa energiassa, autoteollisuudessa ja teollisuudessa.

Auttaakseen insinöörejä ymmärtämään paremmin GaN FET:ien (Field Effect Transistors) ja SiC:n välisiä suorituskykyeroja GaN Systems suunnitteli kaksi 650 V:n, 15 A:n virtalähdettä käyttäen SiC:tä ja GaN:a, ja suoritti yksityiskohtaisia ​​vertailutestejä.

GaN vs SiC Head-to-head -vertailu

Vertaamalla GaN E-HEMT:tä (Enhanced High Electron Mobility Transistor) luokkansa parhaaseen SiC MOSFETiin nopeissa kytkentäsovelluksissa havaittiin, että kun sitä käytettiin synkronisissa buck DC-DC -muuntimissa, muuntaja, jossa on GaN E- HEMT:llä oli paljon korkeampi hyötysuhde kuin SiC MOSFETillä. Tämä vertailu osoittaa selvästi, että GaN E-HEMT ylittää parhaan SiC MOSFETin tärkeimmissä mittareissa, kuten kytkentänopeudessa, loiskapasitanssissa, kytkentähäviöissä ja lämpösuorituskyvyssä. Lisäksi SiC:hen verrattuna GaN E-HEMT:llä on merkittäviä etuja kompaktimpien ja tehokkaampien tehonmuuntimien suunnittelussa.

Miksi GaN voisi ylittää piikarbidin tietyissä olosuhteissa?

Nykyään perinteinen piiteknologia on saavuttanut rajansa, eikä se voi tarjota GaN:n lukuisia etuja, kun taas SiC:n sovellus on rajoitettu tiettyihin käyttöskenaarioihin. Termi "tietyissä olosuhteissa" viittaa näiden materiaalien rajoituksiin tietyissä sovelluksissa. Maailmassa, joka on yhä riippuvaisempia sähköstä, GaN ei ainoastaan ​​paranna olemassa olevaa tuotetarjontaa, vaan myös luo innovatiivisia ratkaisuja, jotka auttavat yrityksiä pysymään kilpailukykyisinä.

GaN-tehopuolijohteiden siirtyessä varhaisesta käyttöönotosta massatuotantoon, yritysten päättäjien ensisijainen tehtävä on ymmärtää, että GaN-tehopuolijohteet voivat tarjota korkeamman tason kokonaissuorituskykyä. Tämä ei ainoastaan ​​auta asiakkaita kasvattamaan markkinaosuutta ja kannattavuutta, vaan myös vähentämään tehokkaasti käyttökustannuksia ja investointikustannuksia.

Tämän vuoden syyskuussa Infineon ja GaN Systems lanseerasivat yhdessä uuden neljännen sukupolven Gallium Nitride -alustan (Gen 4 GaN Power Platform). Vuoden 2022 3,2 kW:n AI-palvelimen virtalähteestä nykyiseen neljännen sukupolven alustaan ​​sen tehokkuus ei ainoastaan ​​ylitä 80 Plus Titanium -tehokkuusstandardia, vaan sen tehotiheys on myös kasvanut 100 W/in³:sta 120 W/in³:iin. Tämä alusta ei ainoastaan ​​aseta uusia mittareita energiatehokkuuteen ja kokoon, vaan tarjoaa myös huomattavasti ylivoimaisen suorituskyvyn.

Yhteenvetona voidaan todeta, että olipa kyseessä SiC-yritykset hankkimassa GaN-yrityksiä tai GaN-yhtiöitä ostamassa SiC-yrityksiä, taustalla on markkina- ja sovellusalueiden laajentaminen. Loppujen lopuksi GaN ja SiC kuuluvat molemmat laajakaistaisiin (WBG) materiaaleihin, ja tulevaisuuden neljännen sukupolven puolijohdemateriaalit, kuten galliumoksidi (Ga2O3) ja Antimonides, tulevat vähitellen esiin luoden monipuolisen teknologisen ekosysteemin. Siksi nämä materiaalit eivät korvaa toisiaan, vaan pikemminkin yhdessä edistävät teollisuuden kasvua.**