GaN eta SiC: elkarbizitza ala ordezkapena?

Potentzia-dentsitate eta eraginkortasun handiagoaren bultzada berrikuntzaren eragile nagusi bihurtu da hainbat industriatan, besteak beste, datu-zentroak, energia berriztagarriak, kontsumo-elektronika, ibilgailu elektrikoak eta gidatze autonomoaren teknologiak. Bandgap zabaleko (WBG) materialen esparruan, galio nitruroa (GaN) eta silizio karburoa (SiC) dira gaur egun oinarrizko bi plataformak, potentzia erdieroaleen berrikuntza buru duten tresna funtsezko gisa ikusita. Material hauek potentzia elektronikaren industria sakonki eraldatzen ari dira energia-eskari gero eta handiagoari aurre egiteko.

Izan ere, SiC industriako enpresa garrantzitsu batzuk ere aktiboki aztertzen ari dira GaN teknologia. Aurtengo martxoan, Infineonek Kanadako GaN startup GaN Systems erosi zuen 830 milioi dolarren truke eskudirutan. Era berean, ROHM-ek duela gutxi bere azken SiC eta GaN produktuak erakutsi ditu PCIM Asian, bere EcoGaN markaren GaN HEMT gailuetan arreta berezia jarriz. Alderantziz, 2022ko abuztuan, Navitas Semiconductor-ek, jatorrian GaN teknologian zentratu zena, GeneSiC eskuratu zuen, eta hurrengo belaunaldiko potentzia erdieroaleen zorroari eskainitako enpresa bakarra bihurtu zen.

Izan ere, GaN eta SiC-ek zenbait gainjartze erakusten dituzte errendimendu eta aplikazio agertokietan. Horregatik, funtsezkoa da bi material horien aplikazio-potentziala sistemaren ikuspegitik ebaluatzea. I+G prozesuan fabrikatzaile ezberdinek beren ikuspuntuak izan ditzaketen arren, ezinbestekoa da alderdi anitzetatik osotasunean ebaluatzea, garapen joerak, materialen kostuak, errendimendua eta diseinu aukerak barne.

Zeintzuk dira GaN-ek betetzen dituen potentzia elektronikaren industriako joera nagusiak?

Jim Witham-ek, GaN Systems-eko zuzendari nagusiak, ez du aukeratu erositako enpresetako beste zuzendariek bezala atzera egitea; aldiz, agerraldi publiko maiz egiten jarraitzen du. Duela gutxi, hitzaldi batean, GaN potentzia-erdieroaleen garrantzia azpimarratu zuen, eta teknologia honek energia-sistemen diseinatzaile eta fabrikatzaileei lagunduko diela potentzia-elektronikaren industria eraldatzen duten hiru joera nagusiei aurre egiten lagunduko die, GaNek joera bakoitzean zeregin erabakigarria duela.

GaN Systems-eko zuzendari nagusi Jim Witham

Lehenik eta behin, energia-eraginkortasunaren gaia. Aurreikuspenen arabera, energia-eskari globala % 50 baino gehiago igoko da 2050erako, eta ezinbestekoa da energia-eraginkortasuna optimizatzea eta energia berriztagarrietarako trantsizioa bizkortzea. Egungo trantsizioa eraginkortasun energetikoan zentratu ez ezik, alderdi zailagoetara ere hedatzen da, hala nola energia-independentzia eta sare elektriko nagusiarekin integratzea. GaN teknologiak energia aurrezteko abantaila handiak eskaintzen ditu energia eta biltegiratze aplikazioetan. Adibidez, GaN erabiltzen duten eguzki-mikroinbertsoreek elektrizitate gehiago sor dezakete; GaN-en AC-DC bihurketa eta inbertsoreen aplikazioak bateria biltegiratzeko sistemetan energia xahutzea % 50 arte murrizten du.

Bigarrenik, elektrifikazio prozesua, bereziki garraio sektorean. Ibilgailu elektrikoak beti izan dira joera honen ardatz. Hala ere, elektrifikazioa bi gurpileko eta hiru gurpileko garraiora hedatzen ari da (esaterako, bizikletak, motozikletak eta rickshawak) populazio trinkoko hiriguneetan, batez ere Asian. Merkatu hauek heldu ahala, GaN potentzia-transistoreen abantailak nabarmenagoak izango dira, eta GaN-k funtsezko zeregina izango du bizi-kalitatea eta ingurumena babesteko.

Azkenik, mundu digitala aldaketa handiak jasaten ari da denbora errealeko datu-eskaerei eta adimen artifizialaren (AI) garapen azkarrari erantzuteko. Datu-zentroetako egungo potentzia bihurtzeko eta banatzeko teknologiek ezin dute hodeiko informatikak eta ikaskuntza automatikoak ekarritako eskaerei etengabe hazten ari direnei eutsi, batez ere botere-gose AI aplikazioak. Energia aurreztea lortuz, hozte-eskakizunak murriztuz eta kostu-eraginkortasuna hobetuz, GaN teknologiak datu-zentroen elikadura-horniduraren panorama birmoldatzen ari da. Sorkuntza AI eta GaN teknologiaren konbinazioak etorkizun eraginkorragoa, iraunkorragoa eta sendoagoa sortuko du datu-zentroentzat.

Enpresa-lider eta ingurumenaren defendatzaile irmo gisa, Jim Witham-ek uste du GaN teknologiaren aurrerapen azkarrak eragin handia izango duela boterearen menpeko hainbat industriatan eta ondorio handiak izango dituela ekonomia globalean. Gainera, merkatuaren iragarpenekin bat egiten du GaN potentzia erdieroaleen diru-sarrerak 6.000 milioi dolarretara iritsiko direla datozen bost urteetan, eta GaN teknologiak SiC-ren lehian abantaila eta aukera paregabeak eskaintzen dituela nabarmendu du.

Nola konparatzen da GaN SiC-rekin abantaila lehiakorrari dagokionez?

Iraganean, GaN potentzia erdieroaleei buruzko uste oker batzuk zeuden, askok kontsumo-elektronikako kargatzeko aplikazioetarako egokiagoak zirela uste zuten. Hala ere, GaN eta SiC-ren arteko bereizketa nagusia haien tentsio barrutiaren aplikazioetan dago. GaN-k hobeto funtzionatzen du tentsio baxuko eta ertaineko aplikazioetan, eta SiC, berriz, 1200V-tik gorako goi-tentsioko aplikazioetarako erabiltzen da. Hala ere, bi material hauen artean aukeratzeak tentsioa, errendimendua eta kostu faktoreak kontuan hartzea dakar.

Esate baterako, 2023ko PCIM Europe erakusketan, GaN Systemsek potentzia-dentsitatean eta eraginkortasunean aurrerapen garrantzitsuak erakutsi zituzten GaN soluzioak erakutsi zituen. SiC transistoreen diseinuekin alderatuta, GaN-en oinarritutako 11kW/800V barneko kargagailuek (OBC) potentzia-dentsitatea % 36 handitu zuten eta materialen kostuen % 15ean murriztea lortu zuten. Diseinu honek hiru mailatako kondentsadore hegalariaren topologia ere integratzen du zubirik gabeko totem-pole PFC konfigurazioan eta zubi aktibo bikoitzeko teknologian, GaN transistoreak erabiliz tentsio-tentsioa % 50 murrizten du.

Ibilgailu elektrikoen hiru aplikazio gakoetan —ontziko kargagailuak (OBC), DC-DC bihurgailuak eta trakzio inbertsoreak—, GaN Systems-ek Toyotarekin elkarlanean egin du GaN osoko autoen prototipo bat garatzeko, eta ekoizteko prest dauden OBC irtenbideak eman ditu EV estatubatuar startuparentzat. Canoo, eta Vitesco Technologies-ekin lankidetzan aritu zen GaN DC-DC bihurgailuak garatzeko 400V eta 800V EV EV elikatze sistemetarako, autogileentzat aukera gehiago eskainiz.

Jim Witham-ek uste du gaur egun SiC-n oinarritzen diren bezeroak azkar pasako direla GaNra bi arrazoirengatik: erabilgarritasun mugatua eta materialen kostu handia. Hainbat industriatan energia-eskaerak handitzen diren heinean, datu-zentroetatik hasi eta automobilgintzara, GaN teknologiarako trantsizio goiztiarrak etorkizunean lehiakideekin harrapatzeko beharrezkoa den denbora laburtzea ahalbidetuko du.

Hornikuntza-katearen ikuspuntutik, SiC garestiagoa da eta hornikuntza-mugak ditu GaNrekin alderatuta. GaN siliziozko obleetan ekoizten denez, bere prezioa azkar jaisten da merkatuaren eskaera gero eta handiagoarekin, eta etorkizuneko prezioa eta lehiakortasuna zehatzago aurreikus daitezke. Aitzitik, SiC hornitzaile kopuru mugatuek eta epe luzeek, ​​normalean urtebetera arte, kostuak handitu ditzakete eta 2025etik haratago automobilgintzaren eskaeran eragina izan dezakete.

Eskalagarritasunari dagokionez, GaN ia "infinituki" eskalagarria da, siliziozko obleetan fabrikatu daitekeelako CMOS milioika gailuren ekipamendu bera erabiliz. GaN laster 8 hazbeteko, 12 hazbeteko eta baita 15 hazbeteko obleetan ere ekoitzi daiteke, SiC MOSFETak normalean 4 hazbeteko edo 6 hazbeteko obleetan fabrikatzen dira eta 8 hazbeteko obleetara trantsitzen hasi berriak dira.

Errendimendu teknikoari dagokionez, gaur egun GaN munduko potentzia aldatzeko gailurik azkarrena da, beste gailu erdieroale batzuek baino potentzia-dentsitate eta irteera-eraginkortasun handiagoa eskaintzen duena. Horrek onura handiak ekartzen dizkie kontsumitzaileei eta enpresei, bai gailuen tamaina txikiagoetan, bai kargatzeko abiadura azkarragoetan, bai datu-zentroetarako hozte-kostuak eta energia-kontsumoa murriztuta. GaN-k abantaila handiak ditu.

GaN-ekin eraikitako sistemek potentzia dentsitate nabarmen handiagoa erakusten dute SiCrekin alderatuta. GaN adopzioa hedatzen den heinean, tamaina txikiagoko energia-sistemako produktu berriak sortzen ari dira etengabe, eta SiC-k ezin du miniaturizazio maila bera lortu. GaN Systems-en arabera, lehen belaunaldiko gailuen errendimendua dagoeneko bosgarren belaunaldiko SiC erdieroaleen azken gailuen errendimendua gainditu du. Epe laburrean GaN-ren errendimendua 5 eta 10 aldiz hobetzen denez, errendimendu-aldea handitzea espero da.

Gainera, GaN gailuek abantaila handiak dituzte, hala nola ate karga baxua, zero alderantzizko berreskurapena eta irteerako kapazitate laua, kalitate handiko kommutazio-errendimendua ahalbidetuz. 1200V-tik beherako tentsio ertain eta baxuko aplikazioetan, GaN-en kommutazio-galerak SiC baino hiru aldiz txikiagoak dira gutxienez. Maiztasunaren ikuspegitik, gaur egun silizioan oinarritutako diseinu gehienek 60 kHz eta 300 kHz artean funtzionatzen dute. SiC-k maiztasuna hobetu badu ere, GaN-en hobekuntzak nabarmenagoak dira, 500 kHz eta maiztasun handiagoak lortuz.

SiC normalean 1200V eta tentsio altuagoetarako erabiltzen denez 650V-rako egokiak diren produktu gutxi batzuekin, bere aplikazioa mugatuta dago diseinu batzuetan, hala nola 30-40V-ko kontsumo-elektronika, 48V-ko ibilgailu hibridoak eta datu-zentroak, horiek guztiak merkatu garrantzitsuak baitira. Beraz, SiC-k merkatu horietan duen eginkizuna mugatua da. GaN, berriz, tentsio-maila horietan nabarmentzen da, eta ekarpen garrantzitsuak egiten ditu datu-zentroetan, kontsumo-elektronikan, energia berriztagarrietan, automobilgintzan eta industria-sektoreetan.

Ingeniariei GaN FETen (Field Effect Transistore) eta SiC-en arteko errendimendu-desberdintasunak hobeto ulertzen laguntzeko, GaN Systems-ek 650V-ko bi elikadura-iturri diseinatu zituen, 15A-ko SiC eta GaN erabiliz, hurrenez hurren, eta konparazio-proba zehatzak egin zituen.

GaN vs SiC Buruz Buruko Konparazioa

GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) abiadura handiko kommutazio-aplikazioetan SiC MOSFET onenarekin alderatuz, aurkitu zen DC-DC bihurgailu sinkronoetan erabiltzen denean, GaN E- duen bihurgailua. HEMT-k SiC MOSFETarekin baino askoz eraginkortasun handiagoa erakutsi zuen. Konparaketa honek argi eta garbi erakusten du GaN E-HEMT-k SiC MOSFET goi-mailako errendimendua gainditzen duela neurketa gakoetan, hala nola aldakuntza-abiadura, kapazitate parasitoa, kommutazio-galerak eta errendimendu termikoa. Gainera, SiC-rekin alderatuta, GaN E-HEMT-k abantaila handiak erakusten ditu potentzia-bihurgailuen diseinu trinko eta eraginkorragoak lortzeko.

Zergatik GaN-ek SiC-a gainditu lezake baldintza jakin batzuetan?

Gaur egun, siliziozko teknologia tradizionalak bere mugara iritsi dira eta ezin ditu GaN-ek dituen abantaila ugari eskaini, SiC-ren aplikazioa erabilera-eszenatoki zehatzetara mugatuta dagoen bitartean. "Baldintza jakin batzuetan" terminoak material hauek aplikazio zehatzetan dituzten mugak aipatzen ditu. Elektrizitatean gero eta menpekoagoa den munduan, GaN-k lehendik dauden produktuen hornidura hobetzeaz gain, negozioak lehiakorra izaten laguntzen duten irtenbide berritzaileak sortzen ditu.

GaN potentzia erdieroaleak adopzio goiztiartik produkzio masibora igarotzen diren heinean, negozioen erabakiak hartzen dituztenen zeregin nagusia GaN potentzia erdieroaleek errendimendu orokor maila handiagoa eskain dezaketela aitortzea da. Horrek bezeroei merkatu-kuota eta errentagarritasuna handitzen laguntzen ez ezik, eragiketa-kostuak eta kapital-gastuak modu eraginkorrean murrizten ditu.

Aurtengo irailean, Infineonek eta GaN Systems-ek elkarrekin laugarren belaunaldiko Galio Nitruroaren plataforma berri bat jarri zuten martxan (Gen 4 GaN Power Platform). 2022ko 3.2kW AI zerbitzariaren horniduratik gaur egungo laugarren belaunaldiko plataformara, bere eraginkortasunak 80 Plus Titanium eraginkortasun estandarra gainditzeaz gain, bere potentzia-dentsitatea 100W/in³-tik 120W/in³-ra ere igo da. Plataforma honek energia-eraginkortasunean eta tamainan erreferentzia berriak ezartzeaz gain, errendimendu nabarmen handiagoa eskaintzen du.

Laburbilduz, GaN enpresak eskuratzen dituzten SiC enpresak edo SiC enpresak eskuratzen dituzten GaN enpresak izan, azpiko motibazioa euren merkatua eta aplikazio eremuak zabaltzea da. Azken finean, GaN eta SiC biak banda zabaleko (WBG) materialei dagozkie, eta galio oxidoa (Ga2O3) eta Antimonides bezalako etorkizuneko laugarren belaunaldiko material erdieroaleak sortuko dira pixkanaka, ekosistema teknologiko dibertsifikatu bat sortuz. Hori dela eta, material hauek ez dute elkar ordezkatzen, baizik eta kolektiboki industriaren hazkundea bultzatzen dute.**