ГаН и СиЦ: коегзистенција или замена?

Потицање веће густине снаге и ефикасности постало је примарни покретач иновација у више индустрија, укључујући центре података, обновљиву енергију, потрошачку електронику, електрична возила и технологије аутономне вожње. У домену материјала са широким појасом (ВБГ), галијум нитрид (ГаН) и силицијум карбид (СиЦ) су тренутно две основне платформе, које се сматрају кључним алатима који воде иновације у области енергетских полупроводника. Ови материјали дубоко трансформишу индустрију енергетске електронике како би одговорили на све већу потражњу за струјом.

У ствари, неке водеће компаније у СиЦ индустрији такође активно истражују ГаН технологију. У марту ове године, Инфинеон је купио канадски ГаН стартуп ГаН Системс за 830 милиона долара у готовини. Исто тако, РОХМ је недавно представио своје најновије СиЦ и ГаН производе на ПЦИМ Азији, са посебним нагласком на ГаН ХЕМТ уређајима њиховог бренда ЕцоГаН. Насупрот томе, у августу 2022. године, Навитас Семицондуцтор, који се првобитно фокусирао на ГаН технологију, купио је ГенеСиЦ, поставши једина компанија посвећена портфељу енергетских полупроводника следеће генерације.

Заиста, ГаН и СиЦ показују извесно преклапање у сценаријима перформанси и примене. Стога је кључно проценити потенцијал примене ова два материјала из системске перспективе. Иако различити произвођачи могу имати своја гледишта током процеса истраживања и развоја, неопходно је свеобухватно их проценити са више аспеката, укључујући трендове развоја, материјалне трошкове, перформансе и могућности дизајна.

Који су кључни трендови у индустрији енергетске електронике које ГаН испуњава?

Јим Витхам, извршни директор компаније ГаН Системс, није одлучио да се повуче као други руководиоци купљених компанија; уместо тога, наставља да се често појављује у јавности. Недавно, у говору, он је нагласио важност ГаН енергетских полупроводника, напомињући да ће ова технологија помоћи дизајнерима и произвођачима енергетских система да се позабаве три кључна тренда који тренутно трансформишу индустрију енергетске електронике, при чему ГаН игра кључну улогу у сваком тренду.

Извршни директор компаније ГаН Системс Јим Витхам

Прво, питање енергетске ефикасности. Предвиђено је да ће глобална потражња за електричном енергијом порасти за преко 50% до 2050. године, због чега је императив оптимизација енергетске ефикасности и убрзање преласка на обновљиве изворе енергије. Тренутна транзиција се не фокусира само на енергетску ефикасност, већ се протеже и на изазовније аспекте као што су енергетска независност и интеграција са главном електричном мрежом. ГаН технологија нуди значајне предности уштеде енергије у апликацијама за енергију и складиштење. На пример, соларни микроинвертори који користе ГаН могу генерисати више електричне енергије; ГаН-ова примена у АЦ-ДЦ конверзији и инвертерима може смањити губитак енергије у системима за складиштење батерија до 50%.

Друго, процес електрификације, посебно у сектору саобраћаја. Електрична возила су увек била у фокусу овог тренда. Међутим, електрификација се шири на транспорт на два и три точка (као што су бицикли, мотоцикли и рикше) у густо насељеним урбаним подручјима, посебно у Азији. Како ова тржишта буду сазревала, предности ГаН транзистора снаге ће постати све истакнутије, а ГаН ће играти кључну улогу у побољшању квалитета живота и заштити животне средине.

Коначно, дигитални свет пролази кроз огромне промене како би задовољио захтеве за подацима у реалном времену и брз развој вештачке интелигенције (АИ). Тренутне технологије конверзије и дистрибуције енергије у центрима података не могу да иду укорак са брзо растућим захтевима које доносе рачунарство у облаку и машинско учење, посебно апликације вештачке интелигенције гладне енергије. Постизањем уштеде енергије, смањењем захтева за хлађењем и повећањем исплативости, ГаН технологија преобликује пејзаж напајања центара података. Комбинација генеративне АИ и ГаН технологије створиће ефикаснију, одрживију и робуснију будућност центара података.

Као пословни лидер и упорни заговорник заштите животне средине, Јим Витхам верује да ће брзи напредак ГаН технологије значајно утицати на различите индустрије зависне од енергије и имати дубоке импликације на глобалну економију. Он се такође слаже са тржишним предвиђањима да ће приход од ГаН енергетских полупроводника достићи 6 милијарди долара у наредних пет година, напомињући да ГаН технологија нуди јединствене предности и могућности у конкуренцији са СиЦ.

Како се ГаН пореди са СиЦ у смислу конкурентске предности?

У прошлости су постојале неке заблуде о ГаН енергетским полупроводницима, а многи су веровали да су погоднији за апликације за пуњење у потрошачкој електроници. Међутим, примарна разлика између ГаН и СиЦ лежи у њиховим применама у опсегу напона. ГаН ради боље у апликацијама ниског и средњег напона, док се СиЦ углавном користи за апликације високог напона преко 1200В. Ипак, избор између ова два материјала укључује разматрање фактора напона, перформанси и трошкова.

На пример, на изложби ПЦИМ Еуропе 2023, ГаН Системс је представио ГаН решења која су показала значајан напредак у густини снаге и ефикасности. У поређењу са дизајном СиЦ транзистора, уграђени пуњачи од 11кВ/800В (ОБЦ) засновани на ГаН-у постигли су повећање густине снаге за 36% и смањење трошкова материјала за 15%. Овај дизајн такође интегрише топологију летећег кондензатора на три нивоа у ПФЦ конфигурацији тотем-пола без моста и технологију двоструког активног моста, смањујући напон напона за 50% коришћењем ГаН транзистора.

У три кључне примене електричних возила—уграђени пуњачи (ОБЦ), ДЦ-ДЦ претварачи и вучни претварачи—ГаН Системс је сарађивао са Тојотом на развоју прототипа потпуно ГаН аутомобила, пружајући ОБЦ решења спремна за производњу за покретање америчког електричног возила. Цаноо, и у партнерству са Витесцо Тецхнологиес да би развили ГаН ДЦ-ДЦ претвараче за 400В и 800В ЕВ системе напајања, нудећи више избора за произвођаче аутомобила.

Јим Витхам верује да ће купци који се тренутно ослањају на СиЦ вероватно брзо прећи на ГаН из два разлога: ограничене доступности и високе цене материјала. Како се потражња за електричном енергијом повећава у различитим индустријама, од центара за податке до аутомобилске индустрије, рани прелазак на ГаН технологију омогућиће овим предузећима да скрате време потребно да сустигну конкуренте у будућности.

Из перспективе ланца снабдевања, СиЦ је скупљи и суочава се са ограничењима у снабдевању у поређењу са ГаН. Пошто се ГаН производи на силицијумским плочицама, његова цена брзо опада са повећањем потражње на тржишту, а будућа цена и конкурентност се могу прецизније предвидети. Насупрот томе, ограничен број добављача СиЦ-а и дуго време испоруке, обично до годину дана, могли би повећати трошкове и утицати на потражњу за производњом аутомобила након 2025. године.

У погледу скалабилности, ГаН је скоро „бесконачно“ скалабилан јер се може произвести на силицијумским плочицама користећи исту опрему као милијарде ЦМОС уређаја. ГаН ускоро може да се производи на плочицама од 8 инча, 12 инча, па чак и 15 инча, док се СиЦ МОСФЕТ-ови обично производе на плочицама од 4 инча или 6 инча и тек почињу да прелазе на плочице од 8 инча.

У погледу техничких перформанси, ГаН је тренутно најбржи уређај за пребацивање снаге на свету, који нуди већу густину снаге и излазну ефикасност од осталих полупроводничких уређаја. Ово доноси значајне предности потрошачима и предузећима, било да се ради о мањим величинама уређаја, већим брзинама пуњења или смањеним трошковима хлађења и потрошње енергије за центре података. ГаН показује огромне предности.

Системи изграђени са ГаН показују знатно већу густину снаге у поређењу са СиЦ. Како се усвајање ГаН шири, нови производи електроенергетских система са мањим величинама се стално појављују, док СиЦ не може постићи исти ниво минијатуризације. Према ГаН Системс-у, перформансе њихових уређаја прве генерације већ су надмашиле перформансе најновијих СиЦ полупроводничких уређаја пете генерације. Како се перформансе ГаН-а побољшавају за 5 до 10 пута у кратком року, очекује се да ће се овај јаз у перформансама повећати.

Поред тога, ГаН уређаји поседују значајне предности као што су ниско пуњење гејта, нулти повратни опоравак и раван излазни капацитет, омогућавајући висококвалитетне перформансе пребацивања. У апликацијама средњег до ниског напона испод 1200В, ГаН-ови преклопни губици су најмање три пута мањи од СиЦ. Из фреквентне перспективе, већина дизајна заснованих на силикону тренутно ради између 60 кХз и 300 кХз. Иако је СиЦ побољшао фреквенцију, побољшања ГаН-а су израженија, постижући 500 кХз и више фреквенције.

Пошто се СиЦ обично користи за 1200В и више напоне са само неколико производа погодних за 650В, његова примена је ограничена у одређеним дизајнима, као што су 30-40В потрошачка електроника, 48В хибридна возила и центри података, од којих су сви важна тржишта. Стога је улога СиЦ-а на овим тржиштима ограничена. ГаН се, с друге стране, истиче у овим нивоима напона, дајући значајан допринос у центрима података, потрошачкој електроници, обновљивој енергији, аутомобилској индустрији и индустријском сектору.

Да би помогли инжењерима да боље разумеју разлике у перформансама између ГаН ФЕТ-ова (Транзистора са ефектом поља) и СиЦ-а, ГаН Системс је дизајнирао два извора напајања од 650В, 15А користећи СиЦ и ГаН, и спровео детаљна упоредна испитивања.

ГаН вс СиЦ директно поређење

Упоређивањем ГаН Е-ХЕМТ (Транзистор побољшане покретљивости електрона) са најбољим у класи СиЦ МОСФЕТ-а у апликацијама за брзо пребацивање, откривено је да када се користи у синхроним ДЦ-ДЦ претварачима, претварач са ГаН Е- ХЕМТ је показао много већу ефикасност од оног са СиЦ МОСФЕТ-ом. Ово поређење јасно показује да ГаН Е-ХЕМТ надмашује врхунски СиЦ МОСФЕТ у кључним метрикама као што су брзина пребацивања, паразитски капацитет, губици при пребацивању и топлотне перформансе. Поред тога, у поређењу са СиЦ, ГаН Е-ХЕМТ показује значајне предности у постизању компактнијег и ефикаснијег дизајна претварача снаге.

Зашто би ГаН могао потенцијално надмашити СиЦ под одређеним условима?

Данас је традиционална силицијумска технологија достигла своје границе и не може да понуди бројне предности које поседује ГаН, док је примена СиЦ-а ограничена на специфичне сценарије употребе. Термин „под одређеним условима“ односи се на ограничења ових материјала у специфичним применама. У свету који се све више ослања на електричну енергију, ГаН не само да побољшава постојеће снабдевање производима већ и ствара иновативна решења која помажу предузећима да остану конкурентна.

Како ГаН енергетски полупроводници прелазе са раног усвајања на масовну производњу, примарни задатак за доносиоце пословних одлука је да препознају да ГаН енергетски полупроводници могу понудити виши ниво укупних перформанси. Ово не само да помаже клијентима да повећају тржишни удео и профитабилност, већ и ефикасно смањују оперативне трошкове и капиталне издатке.

У септембру ове године, Инфинеон и ГаН Системс заједно су лансирали нову четврту генерацију Галлиум Нитриде платформе (Ген 4 ГаН Повер Платформ). Од напајања АИ сервера од 3,2 кВ 2022. до садашње платформе четврте генерације, његова ефикасност не само да превазилази стандард ефикасности 80 Плус Титаниум, већ је и његова густина снаге порасла са 100В/ин³ на 120В/ин³. Ова платформа не само да поставља нове стандарде у енергетској ефикасности и величини, већ нуди и значајно супериорне перформансе.

Укратко, било да се ради о СиЦ компанијама које преузимају ГаН компаније или ГаН компанијама које преузимају СиЦ компаније, основна мотивација је да прошире своје тржиште и поља примене. На крају крајева, ГаН и СиЦ припадају материјалима са широким појасом (ВБГ), а будући полупроводнички материјали четврте генерације као што су галијум оксид (Га2О3) и антимониди ће се постепено појавити, стварајући разноврсни технолошки екосистем. Стога, ови материјали не замењују један другог, већ колективно покрећу раст индустрије.**