GaN og SiC: Sameksistens eller substitution?

Fremstødet for højere effekttæthed og effektivitet er blevet en primær drivkraft for innovation på tværs af flere industrier, herunder datacentre, vedvarende energi, forbrugerelektronik, elektriske køretøjer og teknologier til autonom kørsel. I området for wide bandgap (WBG) materialer er Gallium Nitride (GaN) og Silicon Carbide (SiC) i øjeblikket de to kerneplatforme, der betragtes som centrale værktøjer, der leder krafthalvlederinnovation. Disse materialer transformerer dybtgående kraftelektronikindustrien for at imødekomme den stadigt stigende efterspørgsel efter strøm.

Faktisk udforsker nogle førende virksomheder i SiC-industrien også aktivt GaN-teknologi. I marts i år købte Infineon det canadiske GaN-startup GaN Systems for $830 millioner i kontanter. Ligeledes viste ROHM for nylig sine seneste SiC- og GaN-produkter på PCIM Asia, med særlig vægt på deres EcoGaN-mærkes GaN HEMT-enheder. Omvendt købte Navitas Semiconductor, som oprindeligt fokuserede på GaN-teknologi, GeneSiC i august 2022, og blev det eneste selskab, der var dedikeret til næste generations strømhalvlederportefølje.

Faktisk udviser GaN og SiC en vis overlapning i ydeevne og anvendelsesscenarier. Derfor er det afgørende at vurdere anvendelsespotentialet af disse to materialer fra et systemperspektiv. Selvom forskellige producenter kan have deres egne synspunkter under F&U-processen, er det vigtigt at vurdere dem ud fra flere aspekter, herunder udviklingstendenser, materialeomkostninger, ydeevne og designmuligheder.

Hvad er de vigtigste tendenser i kraftelektronikindustrien, som GaN møder?

Jim Witham, administrerende direktør for GaN Systems, har ikke valgt at træde tilbage som andre ledere af opkøbte virksomheder; i stedet fortsætter han med at gøre hyppige offentlige optrædener. For nylig understregede han i en tale vigtigheden af ​​GaN effekthalvledere og bemærkede, at denne teknologi vil hjælpe strømsystemdesignere og -producenter med at adressere tre nøgletrends, der i øjeblikket transformerer kraftelektronikindustrien, hvor GaN spiller en afgørende rolle i hver trend.

direktør for GaN Systems, Jim Witham

For det første spørgsmålet om energieffektivitet. Det forudsiges, at den globale energiefterspørgsel vil stige med over 50 % i 2050, hvilket gør det bydende nødvendigt at optimere energieffektiviteten og fremskynde overgangen til vedvarende energi. Den nuværende overgang fokuserer ikke kun på energieffektivitet, men strækker sig også til mere udfordrende aspekter såsom energiuafhængighed og integration med det almindelige elnet. GaN-teknologi tilbyder betydelige energibesparende fordele i energi- og lagringsapplikationer. For eksempel kan solar mikroinvertere, der bruger GaN, generere mere elektricitet; GaNs anvendelse i AC-DC konvertering og invertere kan reducere energispild i batterilagringssystemer med op til 50%.

For det andet elektrificeringsprocessen, især i transportsektoren. Elbiler har altid været i fokus for denne trend. Elektrificeringen udvides dog til to- og trehjulstransport (såsom cykler, motorcykler og rickshaws) i tætbefolkede byområder, især i Asien. Efterhånden som disse markeder modnes, vil fordelene ved GaN-effekttransistorer blive mere fremtrædende, og GaN vil spille en afgørende rolle i at forbedre livskvaliteten og miljøbeskyttelsen.

Endelig gennemgår den digitale verden massive ændringer for at imødekomme datakravene i realtid og den hurtige udvikling af kunstig intelligens (AI). De nuværende strømkonverterings- og distributionsteknologier i datacentre kan ikke følge med de hurtigt stigende krav fra cloud computing og maskinlæring, især strømkrævende AI-applikationer. Ved at opnå energibesparelser, reducere kølebehov og forbedre omkostningseffektiviteten omformer GaN-teknologien strømforsyningslandskabet i datacentre. Kombinationen af ​​generativ AI og GaN-teknologi vil skabe en mere effektiv, bæredygtig og robust fremtid for datacentre.

Som virksomhedsleder og trofast miljøforkæmper, mener Jim Witham, at den hurtige udvikling af GaN-teknologi vil have en betydelig indvirkning på forskellige magtafhængige industrier og have dybtgående konsekvenser for den globale økonomi. Han tilslutter sig også markedets forudsigelser om, at GaN-energihalvlederomsætningen vil nå $6 milliarder inden for de næste fem år, og bemærker, at GaN-teknologien tilbyder unikke fordele og muligheder i konkurrencen med SiC.

Hvordan er GaN sammenlignet med SiC med hensyn til konkurrencefordel?

Tidligere var der nogle misforståelser om GaN-krafthalvledere, hvor mange mente, at de var mere velegnede til opladningsapplikationer i forbrugerelektronik. Imidlertid ligger den primære skelnen mellem GaN og SiC i deres spændingsområder. GaN klarer sig bedre i lav- og mellemspændingsapplikationer, mens SiC hovedsageligt bruges til højspændingsapplikationer, der overstiger 1200V. Ikke desto mindre involverer valget mellem disse to materialer at overveje spændings-, ydeevne- og omkostningsfaktorer.

For eksempel på PCIM Europe-udstillingen i 2023 viste GaN Systems GaN-løsninger, der demonstrerede betydelige fremskridt inden for effekttæthed og effektivitet. Sammenlignet med SiC-transistordesigns opnåede GaN-baserede 11kW/800V indbyggede opladere (OBC) en stigning på 36 % i effekttæthed og en reduktion på 15 % i materialeomkostninger. Dette design integrerer også en flyvende kondensatortopologi i tre niveauer i en broløs totempol PFC-konfiguration og dobbelt aktiv broteknologi, hvilket reducerer spændingsspændingen med 50 % ved brug af GaN-transistorer.

I de tre nøgleapplikationer for elektriske køretøjer – indbyggede opladere (OBC), DC-DC-omformere og traktions-invertere – har GaN Systems samarbejdet med Toyota om at udvikle en helt GaN-bilprototype, der har leveret produktionsklare OBC-løsninger til den amerikanske EV-startup Canoo og samarbejdede med Vitesco Technologies for at udvikle GaN DC-DC-konvertere til 400V og 800V EV-strømsystemer, hvilket giver flere valgmuligheder for bilproducenter.

Jim Witham mener, at kunder, der i øjeblikket er afhængige af SiC, sandsynligvis hurtigt vil skifte til GaN af to årsager: den begrænsede tilgængelighed og høje omkostninger ved materialer. Efterhånden som strømbehovet stiger på tværs af forskellige industrier, fra datacentre til bilindustrien, vil en tidlig overgang til GaN-teknologi gøre det muligt for disse virksomheder at forkorte den tid, der er nødvendig for at indhente konkurrenterne i fremtiden.

Fra et forsyningskædeperspektiv er SiC dyrere og står over for forsyningsbegrænsninger sammenlignet med GaN. Da GaN produceres på siliciumwafers, falder prisen hurtigt med stigende markedsefterspørgsel, og fremtidig pris og konkurrenceevne kan forudsiges mere præcist. Omvendt kan det begrænsede antal SiC-leverandører og lange leveringstider, typisk op til et år, øge omkostningerne og påvirke efterspørgslen efter bilfremstilling efter 2025.

Med hensyn til skalerbarhed er GaN næsten "uendeligt" skalerbar, fordi den kan fremstilles på siliciumwafers ved hjælp af det samme udstyr som milliarder af CMOS-enheder. GaN kan snart produceres på 8-tommer, 12-tommer og endda 15-tommer wafers, hvorimod SiC MOSFET'er typisk fremstilles på 4-tommer eller 6-tommer wafers og lige er begyndt at gå over til 8-tommer wafers.

Med hensyn til teknisk ydeevne er GaN i øjeblikket verdens hurtigste strømskifteenhed, der tilbyder højere effekttæthed og outputeffektivitet end andre halvlederenheder. Dette giver betydelige fordele for forbrugere og virksomheder, hvad enten det drejer sig om mindre enhedsstørrelser, hurtigere opladningshastigheder eller reducerede køleomkostninger og energiforbrug til datacentre. GaN udviser enorme fordele.

Systemer bygget med GaN viser væsentligt højere effekttæthed sammenlignet med SiC. Efterhånden som GaN-adoptionen spreder sig, dukker der hele tiden nye strømsystemprodukter med mindre størrelser op, hvorimod SiC ikke kan opnå samme niveau af miniaturisering. Ifølge GaN Systems har ydeevnen af ​​deres førstegenerationsenheder allerede overgået ydeevnen for de seneste femtegenerations SiC-halvlederenheder. Da GaN-ydeevnen forbedres med 5 til 10 gange på kort sigt, forventes dette præstationsgab at blive større.

Derudover besidder GaN-enheder betydelige fordele såsom lav gate-opladning, nul omvendt gendannelse og flad udgangskapacitet, hvilket muliggør omskiftningsydelse af høj kvalitet. I mellem- til lavspændingsapplikationer under 1200V er GaNs switchtab mindst tre gange lavere end SiC. Fra et frekvensperspektiv opererer de fleste siliciumbaserede designs i øjeblikket mellem 60kHz og 300kHz. Selvom SiC er forbedret i frekvens, er GaNs forbedringer mere udtalte og opnår 500 kHz og højere frekvenser.

Da SiC typisk bruges til 1200V og højere spændinger med kun få produkter, der er egnede til 650V, er dets anvendelse begrænset i visse designs, såsom 30-40V forbrugerelektronik, 48V hybridbiler og datacentre, som alle er vigtige markeder. Derfor er SiC’s rolle på disse markeder begrænset. GaN på den anden side udmærker sig i disse spændingsniveauer og yder betydelige bidrag i datacentre, forbrugerelektronik, vedvarende energi, bilindustrien og industrisektoren.

For at hjælpe ingeniører med bedre at forstå ydelsesforskellene mellem GaN FET'er (Field Effect Transistors) og SiC, designede GaN Systems to 650V, 15A strømforsyninger, der anvender henholdsvis SiC og GaN, og udførte detaljerede sammenlignende tests.

GaN vs SiC Head-to-head sammenligning

Ved at sammenligne GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) med klassens bedste SiC MOSFET i højhastighedskoblingsapplikationer, blev det fundet, at når den blev brugt i synkrone buck DC-DC-konvertere, blev konverteren med GaN E- HEMT udviste meget højere effektivitet end den med SiC MOSFET. Denne sammenligning demonstrerer tydeligt, at GaN E-HEMT udkonkurrerer den bedste SiC MOSFET inden for nøglemålinger som switching hastighed, parasitisk kapacitans, switching tab og termisk ydeevne. Derudover, sammenlignet med SiC, viser GaN E-HEMT betydelige fordele ved at opnå mere kompakte og effektive strømkonverterdesigns.

Hvorfor kunne GaN potentielt overgå SiC under visse betingelser?

I dag har traditionel siliciumteknologi nået sine grænser og kan ikke tilbyde de mange fordele, som GaN besidder, mens SiC's anvendelse er begrænset til specifikke brugsscenarier. Udtrykket "under visse forhold" refererer til begrænsningerne af disse materialer i specifikke applikationer. I en verden, der i stigende grad er afhængig af elektricitet, forbedrer GaN ikke kun eksisterende produktforsyning, men skaber også innovative løsninger, der hjælper virksomheder med at forblive konkurrencedygtige.

Efterhånden som GaN strømhalvledere går fra tidlig adoption til masseproduktion, er den primære opgave for forretningsbeslutningstagere at erkende, at GaN effekthalvledere kan tilbyde et højere niveau af overordnet ydeevne. Dette hjælper ikke kun kunder med at øge markedsandele og rentabilitet, men reducerer også effektivt driftsomkostninger og kapitaludgifter.

I september i år lancerede Infineon og GaN Systems i fællesskab en ny fjerde generation af Gallium Nitride platform (Gen 4 GaN Power Platform). Fra 3,2 kW AI-serverstrømforsyningen i 2022 til den nuværende fjerdegenerationsplatform overgår dens effektivitet ikke kun effektivitetsstandarden 80 Plus Titanium, men dens strømtæthed er også steget fra 100W/in³ til 120W/in³. Denne platform sætter ikke kun nye benchmarks i energieffektivitet og størrelse, men tilbyder også betydeligt overlegen ydeevne.

Sammenfattende, uanset om det er SiC-virksomheder, der køber GaN-virksomheder eller GaN-virksomheder, der køber SiC-virksomheder, er den underliggende motivation at udvide deres markeds- og anvendelsesområder. Når alt kommer til alt, tilhører GaN og SiC begge materialer med brede båndgab (WBG), og fremtidige fjerdegenerations halvledermaterialer som Gallium Oxide (Ga2O3) og Antimonides vil gradvist dukke op og skabe et diversificeret teknologisk økosystem. Derfor erstatter disse materialer ikke hinanden, men driver sammen industriens vækst.**