GaN и SiC: сосуществование или замена?

Стремление к повышению удельной мощности и эффективности стало основной движущей силой инноваций во многих отраслях, включая центры обработки данных, возобновляемые источники энергии, бытовую электронику, электромобили и технологии автономного вождения. В области материалов с широкой запрещенной зоной (WBG) нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC) в настоящее время являются двумя основными платформами, которые рассматриваются как ключевые инструменты, ведущие к инновациям в области силовых полупроводников. Эти материалы коренным образом меняют индустрию силовой электроники, удовлетворяя постоянно растущий спрос на электроэнергию.

Фактически, некоторые ведущие компании в отрасли SiC также активно изучают технологию GaN. В марте этого года Infineon приобрела канадский GaN-стартап GaN Systems за 830 миллионов долларов наличными. Аналогичным образом, компания ROHM недавно продемонстрировала свои новейшие продукты SiC и GaN на выставке PCIM Asia, уделив особое внимание устройствам GaN HEMT своего бренда EcoGaN. И наоборот, в августе 2022 года компания Navitas Semiconductor, которая первоначально занималась технологией GaN, приобрела GeneSiC, став единственной компанией, занимающейся портфелем силовых полупроводников следующего поколения.

Действительно, GaN и SiC частично совпадают в сценариях производительности и применения. Поэтому крайне важно оценить потенциал применения этих двух материалов с системной точки зрения. Хотя разные производители могут иметь свои собственные точки зрения в процессе исследований и разработок, важно всесторонне оценить их по множеству аспектов, включая тенденции развития, материальные затраты, производительность и возможности дизайна.

Каковы ключевые тенденции в индустрии силовой электроники, с которыми сталкивается GaN?

Джим Уитэм, генеральный директор GaN Systems, не решил отступить, как другие руководители приобретенных компаний; вместо этого он продолжает часто появляться на публике. Недавно в своем выступлении он подчеркнул важность силовых полупроводников GaN, отметив, что эта технология поможет разработчикам и производителям энергетических систем справиться с тремя ключевыми тенденциями, которые в настоящее время трансформируют индустрию силовой электроники, причем GaN играет решающую роль в каждой тенденции.

Генеральный директор GaN Systems Джим Уитэм

Во-первых, вопрос энергоэффективности. Прогнозируется, что к 2050 году глобальный спрос на электроэнергию вырастет более чем на 50%, что делает необходимым оптимизировать энергоэффективность и ускорить переход к возобновляемым источникам энергии. Текущий переходный период не только фокусируется на энергоэффективности, но также распространяется на более сложные аспекты, такие как энергетическая независимость и интеграция с основной энергосистемой. Технология GaN предлагает значительные преимущества в области энергосбережения в сфере энергетики и хранения данных. Например, солнечные микроинверторы, использующие GaN, могут генерировать больше электроэнергии; Применение GaN в преобразователях переменного и постоянного тока и инверторах может снизить потери энергии в аккумуляторных системах хранения до 50%.

Во-вторых, процесс электрификации, особенно в транспортном секторе. Электромобили всегда были в центре внимания этой тенденции. Однако электрификация распространяется на двух- и трехколесный транспорт (например, велосипеды, мотоциклы и рикши) в густонаселенных городских районах, особенно в Азии. По мере развития этих рынков преимущества силовых GaN-транзисторов станут более заметными, а GaN будет играть решающую роль в улучшении качества жизни и защите окружающей среды.

Наконец, цифровой мир претерпевает огромные изменения для удовлетворения потребностей в данных в реальном времени и быстрого развития искусственного интеллекта (ИИ). Современные технологии преобразования и распределения энергии в центрах обработки данных не могут удовлетворить быстро растущие требования, предъявляемые облачными вычислениями и машинным обучением, особенно энергоемкими приложениями искусственного интеллекта. Достигая экономии энергии, снижая требования к охлаждению и повышая экономическую эффективность, технология GaN меняет структуру источников питания центров обработки данных. Сочетание генеративного искусственного интеллекта и технологий GaN создаст более эффективное, устойчивое и надежное будущее для центров обработки данных.

Джим Уитэм, бизнес-лидер и ярый защитник окружающей среды, считает, что быстрое развитие технологии GaN окажет существенное влияние на различные энергозависимые отрасли и будет иметь глубокие последствия для мировой экономики. Он также согласен с прогнозами рынка о том, что доход от производства силовых полупроводников GaN достигнет 6 миллиардов долларов в течение следующих пяти лет, отметив, что технология GaN предлагает уникальные преимущества и возможности в конкуренции с SiC.

Как GaN сравнивается с SiC с точки зрения конкурентоспособности?

В прошлом существовали некоторые заблуждения относительно силовых полупроводников GaN, и многие считали, что они больше подходят для зарядных устройств в бытовой электронике. Однако основное различие между GaN и SiC заключается в диапазоне их применения. GaN лучше работает в приложениях с низким и средним напряжением, тогда как SiC в основном используется для приложений с высоким напряжением, превышающим 1200 В. Тем не менее, выбор между этими двумя материалами требует учета факторов напряжения, производительности и стоимости.

Например, на выставке PCIM Europe 2023 компания GaN Systems продемонстрировала решения GaN, которые продемонстрировали значительный прогресс в плотности мощности и эффективности. По сравнению с конструкциями с SiC-транзисторами, встроенные зарядные устройства (OBC) на основе GaN 11 кВт/800 В позволили увеличить удельную мощность на 36 % и снизить затраты на материалы на 15 %. Эта конструкция также объединяет топологию трехуровневого летающего конденсатора в бесмостовую конфигурацию PFC с тотемным полюсом и технологию двойного активного моста, что снижает нагрузку по напряжению на 50% с использованием GaN-транзисторов.

В трех ключевых областях применения электромобилей — бортовых зарядных устройствах (OBC), преобразователях постоянного тока и тяговых инверторах — компания GaN Systems сотрудничала с Toyota для разработки прототипа автомобиля, полностью состоящего из GaN, и предоставила готовые к производству решения OBC для американского стартапа по производству электромобилей. Canoo и в партнерстве с Vitesco Technologies разработали GaN-преобразователи постоянного тока для систем электропитания 400 В и 800 В, предлагая автопроизводителям больше возможностей выбора.

Джим Уитэм считает, что клиенты, которые в настоящее время полагаются на SiC, скорее всего, быстро перейдут на GaN по двум причинам: ограниченная доступность и высокая стоимость материалов. Поскольку спрос на электроэнергию растет в различных отраслях, от центров обработки данных до автомобилестроения, ранний переход на технологию GaN позволит этим предприятиям сократить время, необходимое для того, чтобы догнать конкурентов в будущем.

С точки зрения цепочки поставок SiC дороже и сталкивается с ограничениями поставок по сравнению с GaN. Поскольку GaN производится на кремниевых пластинах, его цена быстро снижается с ростом рыночного спроса, а будущие цены и конкурентоспособность можно предсказать более точно. И наоборот, ограниченное количество поставщиков SiC и длительные сроки выполнения заказов, обычно до года, могут увеличить затраты и повлиять на спрос на автомобильное производство после 2025 года.

С точки зрения масштабируемости, GaN практически «бесконечно» масштабируем, поскольку его можно производить на кремниевых пластинах с использованием того же оборудования, что и миллиарды КМОП-устройств. Вскоре GaN можно будет производить на 8-дюймовых, 12-дюймовых и даже 15-дюймовых пластинах, тогда как SiC MOSFET обычно производятся на 4-дюймовых или 6-дюймовых пластинах и только начинают переходить на 8-дюймовые пластины.

С точки зрения технических характеристик, GaN в настоящее время является самым быстрым в мире устройством переключения мощности, предлагая более высокую плотность мощности и выходную эффективность, чем другие полупроводниковые устройства. Это приносит значительные преимущества потребителям и предприятиям, будь то меньшие размеры устройств, более высокая скорость зарядки или снижение затрат на охлаждение и энергопотребление в центрах обработки данных. GaN демонстрирует огромные преимущества.

Системы, построенные с использованием GaN, демонстрируют значительно более высокую плотность мощности по сравнению с SiC. По мере распространения GaN постоянно появляются новые продукты для систем электропитания меньших размеров, тогда как SiC не может достичь того же уровня миниатюризации. По данным GaN Systems, производительность их устройств первого поколения уже превзошла характеристики новейших полупроводниковых устройств SiC пятого поколения. Поскольку в краткосрочной перспективе производительность GaN улучшится в 5–10 раз, ожидается, что этот разрыв в производительности увеличится.

Кроме того, устройства на основе GaN обладают значительными преимуществами, такими как низкий заряд затвора, нулевое обратное восстановление и плоская выходная емкость, что обеспечивает высокое качество переключения. В приложениях среднего и низкого напряжения ниже 1200 В коммутационные потери GaN как минимум в три раза ниже, чем у SiC. С точки зрения частоты большинство кремниевых разработок в настоящее время работают в диапазоне от 60 до 300 кГц. Хотя SiC улучшился по частоте, улучшения у GaN более выражены: он достигает 500 кГц и более высоких частот.

Поскольку SiC обычно используется для напряжения 1200 В и выше, и лишь немногие продукты подходят для напряжения 650 В, его применение ограничено в определенных конструкциях, таких как бытовая электроника 30–40 В, гибридные автомобили 48 В и центры обработки данных, которые являются важными рынками. Поэтому роль SiC на этих рынках ограничена. GaN, с другой стороны, превосходно справляется с этими уровнями напряжения, внося значительный вклад в центры обработки данных, бытовую электронику, возобновляемые источники энергии, автомобилестроение и промышленность.

Чтобы помочь инженерам лучше понять разницу в характеристиках между GaN FET (полевыми транзисторами) и SiC, компания GaN Systems разработала два источника питания 650 В, 15 А с использованием SiC и GaN соответственно, и провела подробные сравнительные испытания.

Прямое сравнение GaN и SiC

Сравнивая GaN E-HEMT (транзистор с повышенной подвижностью электронов) с лучшим в своем классе SiC MOSFET в приложениях высокоскоростного переключения, было обнаружено, что при использовании в синхронных понижающих преобразователях постоянного тока преобразователь с GaN E- HEMT показал гораздо более высокий КПД, чем SiC MOSFET. Это сравнение ясно демонстрирует, что GaN E-HEMT превосходит лучший SiC MOSFET по ключевым показателям, таким как скорость переключения, паразитная емкость, потери переключения и тепловые характеристики. Кроме того, по сравнению с SiC GaN E-HEMT демонстрирует значительные преимущества в создании более компактных и эффективных конструкций силовых преобразователей.

Почему GaN потенциально может превзойти SiC при определенных условиях?

Сегодня традиционная кремниевая технология достигла своих пределов и не может предложить многочисленные преимущества, которыми обладает GaN, в то время как применение SiC ограничено конкретными сценариями использования. Термин «при определенных условиях» относится к ограничениям этих материалов в конкретных приложениях. В мире, который все больше зависит от электроэнергии, GaN не только улучшает поставки существующей продукции, но и создает инновационные решения, которые помогают предприятиям оставаться конкурентоспособными.

Поскольку силовые полупроводники GaN переходят от раннего внедрения к массовому производству, основной задачей лиц, принимающих бизнес-решения, является признание того, что силовые полупроводники GaN могут обеспечить более высокий уровень общей производительности. Это не только помогает клиентам увеличить долю рынка и прибыльность, но также эффективно снижает эксплуатационные расходы и капитальные затраты.

В сентябре этого года Infineon и GaN Systems совместно запустили новую платформу нитрида галлия четвертого поколения (Gen 4 GaN Power Platform). От блока питания сервера AI мощностью 3,2 кВт в 2022 году до нынешней платформы четвертого поколения, его эффективность не только превосходит стандарт эффективности 80 Plus Titanium, но и плотность мощности также увеличилась со 100 Вт/дюйм³ до 120 Вт/дюйм³. Эта платформа не только устанавливает новые стандарты энергоэффективности и размера, но и обеспечивает значительно более высокую производительность.

Подводя итог, независимо от того, приобретают ли компании SiC компании GaN или компании GaN, приобретающие компании SiC, основной мотивацией является расширение своего рынка и областей применения. В конце концов, GaN и SiC относятся к широкозонным материалам (WBG), и будущие полупроводниковые материалы четвертого поколения, такие как оксид галлия (Ga2O3) и антимониды, постепенно появятся, создавая диверсифицированную технологическую экосистему. Таким образом, эти материалы не заменяют друг друга, а, скорее, вместе стимулируют рост отрасли.**