GaN og SiC: Sameksistens eller substitusjon?

Presset for høyere effekttetthet og effektivitet har blitt en primær driver for innovasjon på tvers av flere bransjer, inkludert datasentre, fornybar energi, forbrukerelektronikk, elektriske kjøretøy og teknologier for autonom kjøring. I riket av materialer med bred båndgap (WBG) er galliumnitrid (GaN) og silisiumkarbid (SiC) for tiden de to kjerneplattformene, sett på som sentrale verktøy som leder krafthalvlederinnovasjon. Disse materialene forvandler kraftelektronikkindustrien dypt for å møte den stadig økende etterspørselen etter kraft.

Faktisk er det noen ledende selskaper i SiC-industrien som også aktivt utforsker GaN-teknologi. I mars i år kjøpte Infineon den kanadiske GaN-startupen GaN Systems for 830 millioner dollar i kontanter. På samme måte viste ROHM nylig frem sine siste SiC- og GaN-produkter på PCIM Asia, med spesiell vekt på deres EcoGaN-merkes GaN HEMT-enheter. Motsatt, i august 2022, kjøpte Navitas Semiconductor, som opprinnelig fokuserte på GaN-teknologi, GeneSiC, og ble det eneste selskapet dedikert til neste generasjons krafthalvlederportefølje.

Faktisk viser GaN og SiC en viss overlapping i ytelse og applikasjonsscenarier. Derfor er det avgjørende å vurdere brukspotensialet til disse to materialene fra et systemperspektiv. Selv om forskjellige produsenter kan ha sine egne synspunkter under FoU-prosessen, er det viktig å vurdere dem grundig fra flere aspekter, inkludert utviklingstrender, materialkostnader, ytelse og designmuligheter.

Hva er de viktigste trendene i kraftelektronikkindustrien som GaN møter?

Jim Witham, administrerende direktør i GaN Systems, har ikke valgt å trekke seg tilbake som andre ledere i oppkjøpte selskaper; i stedet fortsetter han å gjøre hyppige offentlige opptredener. Nylig, i en tale, understreket han viktigheten av GaN krafthalvledere, og la merke til at denne teknologien vil hjelpe kraftsystemdesignere og -produsenter med å adressere tre nøkkeltrender som for tiden transformerer kraftelektronikkindustrien, med GaN som spiller en avgjørende rolle i hver trend.

Administrerende direktør i GaN Systems, Jim Witham

For det første spørsmålet om energieffektivitet. Det er spådd at det globale kraftbehovet vil øke med over 50 % innen 2050, noe som gjør det avgjørende å optimalisere energieffektiviteten og akselerere overgangen til fornybar energi. Den nåværende overgangen fokuserer ikke bare på energieffektivitet, men strekker seg også til mer utfordrende aspekter som energiuavhengighet og integrasjon med det vanlige kraftnettet. GaN-teknologi gir betydelige energibesparende fordeler i energi- og lagringsapplikasjoner. For eksempel kan solcellemikroinvertere som bruker GaN generere mer elektrisitet; GaNs applikasjon innen AC-DC-konvertering og omformere kan redusere energisvinnet i batterilagringssystemer med opptil 50 %.

For det andre, elektrifiseringsprosessen, spesielt i transportsektoren. Elektriske kjøretøy har alltid vært i fokus for denne trenden. Imidlertid utvides elektrifisering til to- og trehjulstransport (som sykler, motorsykler og rickshaws) i tettbefolkede byområder, spesielt i Asia. Etter hvert som disse markedene modnes, vil fordelene med GaN krafttransistorer bli mer fremtredende, og GaN vil spille en avgjørende rolle for å forbedre livskvalitet og miljøvern.

Endelig gjennomgår den digitale verden enorme endringer for å møte sanntidsdatakravene og den raske utviklingen av kunstig intelligens (AI). Nåværende kraftkonverterings- og distribusjonsteknologier i datasentre kan ikke holde tritt med de raskt økende kravene fra skydatabehandling og maskinlæring, spesielt kraftkrevende AI-applikasjoner. Ved å oppnå energibesparelser, redusere kjølekravene og forbedre kostnadseffektiviteten, omformer GaN-teknologien strømforsyningslandskapet til datasentre. Kombinasjonen av generativ AI og GaN-teknologi vil skape en mer effektiv, bærekraftig og robust fremtid for datasentre.

Som bedriftsleder og trofast miljøforkjemper, mener Jim Witham at den raske utviklingen av GaN-teknologi vil ha betydelig innvirkning på ulike kraftavhengige industrier og ha dype implikasjoner på den globale økonomien. Han slutter seg også til markedsspådommer om at GaN krafthalvlederinntekter vil nå 6 milliarder dollar i løpet av de neste fem årene, og bemerker at GaN-teknologi tilbyr unike fordeler og muligheter i konkurransen med SiC.

Hvordan sammenligner GaN med SiC når det gjelder konkurransefortrinn?

Tidligere var det noen misoppfatninger om GaN-krafthalvledere, og mange mente at de var mer egnet for ladeapplikasjoner i forbrukerelektronikk. Imidlertid ligger det primære skillet mellom GaN og SiC i deres spenningsområdeapplikasjoner. GaN yter bedre i lav- og mellomspenningsapplikasjoner, mens SiC hovedsakelig brukes til høyspenningsapplikasjoner som overstiger 1200V. Ikke desto mindre innebærer valget mellom disse to materialene å vurdere spennings-, ytelses- og kostnadsfaktorer.

For eksempel, på PCIM Europe-utstillingen i 2023, viste GaN Systems frem GaN-løsninger som demonstrerte betydelige fremskritt i krafttetthet og effektivitet. Sammenlignet med SiC-transistordesign, oppnådde GaN-baserte 11kW/800V innebygde ladere (OBC) en 36 % økning i effekttetthet og en 15 % reduksjon i materialkostnader. Denne designen integrerer også en tre-nivås flygende kondensatortopologi i en broløs totempol-PFC-konfigurasjon og dobbel aktiv broteknologi, noe som reduserer spenningsspenningen med 50 % ved bruk av GaN-transistorer.

I de tre nøkkelapplikasjonene for elektriske kjøretøy – innebygde ladere (OBC), DC-DC-omformere og trekkraftinvertere – har GaN Systems samarbeidet med Toyota for å utvikle en hel-GaN-bilprototype, levert produksjonsklare OBC-løsninger for den amerikanske EV-oppstarten Canoo, og samarbeidet med Vitesco Technologies for å utvikle GaN DC-DC-omformere for 400V og 800V EV-strømsystemer, noe som gir flere valgmuligheter for bilprodusenter.

Jim Witham mener at kunder som for tiden er avhengige av SiC, sannsynligvis raskt vil bytte til GaN av to grunner: begrenset tilgjengelighet og høye materialkostnader. Ettersom kraftbehovet øker på tvers av ulike bransjer, fra datasentre til bilindustrien, vil en tidlig overgang til GaN-teknologi gjøre det mulig for disse virksomhetene å forkorte tiden som trengs for å ta igjen konkurrentene i fremtiden.

Fra et forsyningskjedeperspektiv er SiC dyrere og står overfor forsyningsbegrensninger sammenlignet med GaN. Siden GaN produseres på silisiumskiver, synker prisen raskt med økende markedsetterspørsel, og fremtidig pris og konkurranseevne kan forutsies mer nøyaktig. Motsatt kan det begrensede antallet SiC-leverandører og lange ledetider, vanligvis opptil ett år, øke kostnadene og påvirke etterspørselen etter bilproduksjon utover 2025.

Når det gjelder skalerbarhet, er GaN nesten "uendelig" skalerbar fordi den kan produseres på silisiumskiver med samme utstyr som milliarder av CMOS-enheter. GaN kan snart produseres på 8-tommers, 12-tommers og til og med 15-tommers wafere, mens SiC MOSFET-er vanligvis produseres på 4-tommers eller 6-tommers wafere og akkurat begynner å gå over til 8-tommers wafere.

Når det gjelder teknisk ytelse, er GaN for tiden verdens raskeste strømbryterenhet, og tilbyr høyere effekttetthet og utgangseffektivitet enn andre halvlederenheter. Dette gir betydelige fordeler for forbrukere og bedrifter, enten det gjelder mindre enhetsstørrelser, raskere ladehastigheter eller reduserte kjølekostnader og energiforbruk for datasentre. GaN viser enorme fordeler.

Systemer bygget med GaN viser betydelig høyere effekttetthet sammenlignet med SiC. Etter hvert som GaN-adopsjonen sprer seg, dukker det stadig opp nye kraftsystemprodukter med mindre størrelser, mens SiC ikke kan oppnå samme nivå av miniatyrisering. Ifølge GaN Systems har ytelsen til deres førstegenerasjonsenheter allerede overgått ytelsen til de siste femtegenerasjons SiC-halvlederenhetene. Ettersom GaN-ytelsen forbedres med 5 til 10 ganger på kort sikt, forventes dette ytelsesgapet å øke.

I tillegg har GaN-enheter betydelige fordeler som lav portlading, null reversering og flat utgangskapasitans, noe som muliggjør bytteytelse av høy kvalitet. I middels til lavspenningsapplikasjoner under 1200V, er GaNs svitsjetap minst tre ganger lavere enn SiC. Fra et frekvensperspektiv opererer de fleste silisiumbaserte designene for tiden mellom 60kHz og 300kHz. Selv om SiC har forbedret frekvensen, er GaNs forbedringer mer uttalte, og oppnår 500 kHz og høyere frekvenser.

Siden SiC vanligvis brukes for 1200V og høyere spenninger med bare noen få produkter som er egnet for 650V, er bruken begrenset i visse design, for eksempel 30-40V forbrukerelektronikk, 48V hybridbiler og datasentre, som alle er viktige markeder. Derfor er SiCs rolle i disse markedene begrenset. GaN, på den annen side, utmerker seg i disse spenningsnivåene, og gir betydelige bidrag i datasentre, forbrukerelektronikk, fornybar energi, bilindustrien og industrisektoren.

For å hjelpe ingeniører bedre å forstå ytelsesforskjellene mellom GaN FET (felteffekttransistorer) og SiC, designet GaN Systems to 650V, 15A strømforsyninger med henholdsvis SiC og GaN, og utførte detaljerte sammenlignende tester.

GaN vs SiC Head-to-head sammenligning

Ved å sammenligne GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) med klassens beste SiC MOSFET i høyhastighetssvitsjeapplikasjoner, ble det funnet at når den ble brukt i synkrone buck DC-DC-omformere, ble omformeren med GaN E- HEMT viste mye høyere effektivitet enn den med SiC MOSFET. Denne sammenligningen viser tydelig at GaN E-HEMT utkonkurrerer den beste SiC MOSFET-en i nøkkeltall som svitsjhastighet, parasittisk kapasitans, svitsjetap og termisk ytelse. I tillegg, sammenlignet med SiC, viser GaN E-HEMT betydelige fordeler når det gjelder å oppnå mer kompakte og effektive kraftomformerdesign.

Hvorfor kan GaN potensielt overgå SiC under visse forhold?

I dag har tradisjonell silisiumteknologi nådd sine grenser og kan ikke tilby de mange fordelene som GaN besitter, mens SiCs applikasjon er begrenset til spesifikke bruksscenarier. Begrepet "under visse forhold" refererer til begrensningene til disse materialene i spesifikke bruksområder. I en verden som blir stadig mer avhengig av elektrisitet, forbedrer GaN ikke bare eksisterende produktforsyning, men skaper også innovative løsninger som hjelper bedrifter å holde seg konkurransedyktige.

Ettersom GaN-krafthalvledere går over fra tidlig bruk til masseproduksjon, er hovedoppgaven for beslutningstakere i virksomheten å erkjenne at GaN-krafthalvledere kan tilby et høyere nivå av generell ytelse. Dette hjelper ikke bare kundene med å øke markedsandeler og lønnsomhet, men reduserer også effektivt driftskostnader og kapitalutgifter.

I september i år lanserte Infineon og GaN Systems i fellesskap en ny fjerdegenerasjons Gallium Nitride-plattform (Gen 4 GaN Power Platform). Fra 3,2 kW AI-serverstrømforsyningen i 2022 til den nåværende fjerdegenerasjonsplattformen, overgår effektiviteten ikke bare effektivitetsstandarden 80 Plus Titanium, men strømtettheten har også økt fra 100W/in³ til 120W/in³. Denne plattformen setter ikke bare nye standarder for energieffektivitet og størrelse, men tilbyr også betydelig overlegen ytelse.

Oppsummert, enten det er SiC-selskaper som kjøper GaN-selskaper eller GaN-selskaper som kjøper SiC-selskaper, er den underliggende motivasjonen å utvide sine markeds- og bruksområder. Tross alt tilhører GaN og SiC begge materialer med brede båndgap (WBG), og fremtidige fjerdegenerasjons halvledermaterialer som Gallium Oxide (Ga2O3) og Antimonides vil gradvis dukke opp, og skape et diversifisert teknologisk økosystem. Derfor erstatter ikke disse materialene hverandre, men driver sammen bransjevekst.**