GaN және SiC: бірге өмір сүру немесе алмастыру?

Қуаттың жоғары тығыздығы мен тиімділігіне ұмтылу деректер орталықтары, жаңартылатын энергия көздері, тұрмыстық электроника, электр көліктері және автономды жүргізу технологияларын қоса алғанда, көптеген салалардағы инновациялардың негізгі драйверіне айналды. Кең диапазонды (WBG) материалдар саласында, Галлий нитриді (GaN) және кремний карбиді (SiC) қазіргі уақытта екі негізгі платформа болып табылады, олар қуатты жартылай өткізгіш инновацияларды басқаратын негізгі құралдар ретінде қарастырылады. Бұл материалдар қуатқа үнемі өсіп келе жатқан сұранысты қанағаттандыру үшін энергетикалық электроника саласын түбегейлі өзгертеді.

Шын мәнінде, SiC индустриясының кейбір жетекші компаниялары GaN технологиясын белсенді түрде зерттеп жатыр. Осы жылдың наурыз айында Infineon канадалық GaN стартапын GaN Systems-ті 830 миллион долларға қолма-қол ақшаға сатып алды. Сол сияқты, ROHM жақында PCIM Азияда өзінің соңғы SiC және GaN өнімдерін көрсетті, әсіресе олардың EcoGaN брендінің GaN HEMT құрылғыларына баса назар аударды. Керісінше, 2022 жылдың тамызында бастапқыда GaN технологиясына назар аударған Navitas Semiconductor GeneSiC-ті сатып алып, келесі буын қуат жартылай өткізгіштері портфолиосына арналған жалғыз компания болды.

Шынында да, GaN және SiC өнімділік пен қолдану сценарийлерінде кейбір сәйкестіктерді көрсетеді. Сондықтан осы екі материалдың қолдану мүмкіндіктерін жүйелік тұрғыдан бағалау өте маңызды. Әртүрлі өндірушілердің ҒЗТКЖ процесінде өз көзқарастары болуы мүмкін болса да, оларды даму тенденциялары, материалдық шығындар, өнімділік және дизайн мүмкіндіктерін қоса алғанда, көптеген аспектілерден кешенді бағалау өте маңызды.

GaN сәйкес келетін энергетикалық электроника индустриясының негізгі тенденциялары қандай?

Джим Витам, GaN Systems бас директоры, сатып алынған компаниялардың басқа басшылары сияқты артқа шегінуді таңдаған жоқ; оның орнына ол көпшілік алдында жиі шығуды жалғастырады. Жақында сөйлеген сөзінде ол GaN қуат жартылай өткізгіштерінің маңыздылығына тоқталып, бұл технология энергетикалық жүйенің дизайнерлері мен өндірушілеріне қазіргі уақытта электр электроника саласын өзгертіп жатқан үш негізгі трендті шешуге көмектесетінін, GaN әрбір трендте шешуші рөл атқаратынын атап өтті.

GaN Systems бас директоры Джим Витам

Біріншіден, энергия тиімділігі мәселесі. Болжам бойынша, 2050 жылға қарай жаһандық электр қуатына сұраныс 50%-дан астамға артады, бұл энергия тиімділігін оңтайландыруды және жаңартылатын энергияға көшуді жеделдетуді қажет етеді. Ағымдағы көшу энергия тиімділігіне ғана емес, сонымен қатар энергетикалық тәуелсіздік және негізгі электр желісімен интеграция сияқты күрделі аспектілерге де таралады. GaN технологиясы қуат пен сақтау қолданбаларында энергияны үнемдеудің маңызды артықшылықтарын ұсынады. Мысалы, GaN пайдаланатын күн микроинверторлары көбірек электр энергиясын өндіре алады; GaN-ді AC-DC түрлендіруде және инверторларда қолдану батареяларды сақтау жүйелерінде энергия шығынын 50%-ға дейін азайтады.

Екіншіден, электрлендіру процесі, әсіресе көлік секторында. Электрлік көліктер әрқашан осы трендтің назарында болды. Дегенмен, электрлендіру халық тығыз орналасқан қалалық аудандарда, әсіресе Азияда екі доңғалақты және үш доңғалақты көліктерге (велосипедтер, мотоциклдер және рикшалар сияқты) дейін кеңейіп келеді. Бұл нарықтар жетілген сайын, GaN қуат транзисторларының артықшылықтары көбірек болады және GaN өмір сүру сапасын жақсартуда және қоршаған ортаны қорғауда шешуші рөл атқарады.

Ақырында, цифрлық әлем нақты уақыттағы деректерге сұраныс пен жасанды интеллекттің (AI) қарқынды дамуын қанағаттандыру үшін ауқымды өзгерістерге ұшырауда. Деректер орталықтарындағы қуатты түрлендіру және таратудың қазіргі технологиялары бұлтты есептеулер мен машиналық оқыту, әсіресе қуатты қажет ететін AI қосымшалары әкелетін жылдам өсіп келе жатқан талаптарға төтеп бере алмайды. Энергияны үнемдеуге қол жеткізу, салқындату талаптарын азайту және үнемділікті арттыру арқылы GaN технологиясы деректер орталықтарының электрмен жабдықтау ландшафтын қайта құруда. Генеративті AI және GaN технологиясының үйлесімі деректер орталықтары үшін тиімдірек, тұрақты және сенімді болашақты жасайды.

Бизнес көшбасшысы және қоршаған ортаны қорғаудың сенімді қорғаушысы ретінде Джим Уям GaN технологиясының қарқынды дамуы қуатқа тәуелді әртүрлі салаларға айтарлықтай әсер етеді және жаһандық экономикаға терең әсер етеді деп санайды. Ол сонымен қатар GaN қуатының жартылай өткізгіштерінің кірісі алдағы бес жылда 6 миллиард долларға жетеді деген нарықтық болжамдармен келіседі, GaN технологиясы SiC-пен бәсекелестікте бірегей артықшылықтар мен мүмкіндіктер ұсынатынын атап өтті.

Бәсекеге қабілеттілік тұрғысынан GaN SiC-пен қалай салыстырылады?

Бұрын GaN қуат жартылай өткізгіштері туралы кейбір қате түсініктер болды, олардың көпшілігі оларды тұрмыстық электроникадағы қосымшаларды зарядтау үшін қолайлы деп санайды. Дегенмен, GaN және SiC арасындағы негізгі айырмашылық олардың кернеу диапазонында қолданылады. GaN төмен және орташа кернеулі қолданбаларда жақсырақ жұмыс істейді, ал SiC негізінен 1200 В асатын жоғары вольтты қолданбалар үшін қолданылады. Дегенмен, осы екі материал арасындағы таңдау кернеуді, өнімділікті және шығындар факторларын ескеруді қамтиды.

Мысалы, 2023 жылы PCIM Europe көрмесінде GaN Systems қуат тығыздығы мен тиімділігін арттыруда айтарлықтай жетістіктерді көрсететін GaN шешімдерін көрсетті. SiC транзисторлық конструкцияларымен салыстырғанда, GaN негізіндегі 11кВт/800В борттық зарядтағыштар (OBC) қуат тығыздығын 36%-ға арттыруға және материалдық шығындарды 15%-ға төмендетуге қол жеткізді. Бұл дизайн сонымен қатар көпірсіз тотем-полюсті PFC конфигурациясындағы үш деңгейлі ұшатын конденсатор топологиясын және қос белсенді көпір технологиясын біріктіреді, GaN транзисторларын пайдаланып кернеу кернеуін 50% төмендетеді.

Электрлік көліктердің үш негізгі қолданбасында - борттық зарядтағыштар (OBC), тұрақты ток түрлендіргіштері және тартқыш инверторлар - GaN Systems Toyota компаниясымен ынтымақтаса отырып, американдық EV іске қосу үшін өндіріске дайын OBC шешімдерін ұсынды. Canoo компаниясы және Vitesco Technologies серіктестігімен 400В және 800В EV қуат жүйелеріне арналған GaN DC-DC түрлендіргіштерін әзірлеу үшін автоөндірушілер үшін көбірек таңдаулар ұсынады.

Джим Утамның пікірінше, қазіргі уақытта SiC-ке тәуелді тұтынушылар екі себепке байланысты GaN-ге тез ауысуы мүмкін: шектеулі қолжетімділік және материалдардың жоғары құны. Дата орталықтарынан бастап автомобиль өнеркәсібіне дейін әртүрлі салаларда қуатқа сұраныс артқан сайын, GaN технологиясына ерте көшу бұл кәсіпорындарға болашақта бәсекелестерді қуып жету үшін қажетті уақытты қысқартуға мүмкіндік береді.

Жеткізу тізбегі тұрғысынан SiC қымбатырақ және GaN-мен салыстырғанда жеткізу шектеулеріне тап болады. GaN кремний пластинасында өндірілгендіктен, оның бағасы нарықтағы сұраныстың артуымен тез төмендейді және болашақ баға мен бәсекеге қабілеттілікті дәлірек болжауға болады. Керісінше, SiC жеткізушілерінің шектеулі саны және ұзақ мерзімдері, әдетте, бір жылға дейін, шығындарды арттырып, 2025 жылдан кейін автомобиль өндірісіне сұранысқа әсер етуі мүмкін.

Масштабтау тұрғысынан GaN дерлік «шексіз» масштабталады, өйткені оны миллиардтаған CMOS құрылғыларымен бірдей жабдықты пайдаланып кремний пластинкаларында жасауға болады. Жақында GaN 8 дюймдік, 12 дюймдік және тіпті 15 дюймдік вафлилерде шығарылуы мүмкін, ал SiC MOSFET әдетте 4 дюймдік немесе 6 дюймдік вафлилерде шығарылады және 8 дюймдік вафлилерге енді ғана ауыса бастады.

Техникалық өнімділік тұрғысынан GaN қазіргі уақытта басқа жартылай өткізгіш құрылғыларға қарағанда жоғары қуат тығыздығы мен шығыс тиімділігін ұсынатын әлемдегі ең жылдам қуатты ауыстырып қосу құрылғысы болып табылады. Бұл тұтынушылар мен бизнеске құрылғының кішірек өлшемдерінде, жылдам зарядтау жылдамдығында немесе салқындату шығындарын азайтуда және деректер орталықтары үшін қуат тұтынуда айтарлықтай пайда әкеледі. GaN үлкен артықшылықтарды көрсетеді.

GaN көмегімен жасалған жүйелер SiC-пен салыстырғанда айтарлықтай жоғары қуат тығыздығын көрсетеді. GaN қабылдау тараған сайын, өлшемдері кішірек қуат жүйесінің жаңа өнімдері үнемі пайда болады, ал SiC бірдей миниатюризация деңгейіне жете алмайды. GaN Systems мәліметтері бойынша, олардың бірінші буын құрылғыларының өнімділігі соңғы бесінші буын SiC жартылай өткізгіш құрылғыларынан асып түсті. Қысқа мерзімде GaN өнімділігі 5-10 есе жақсарғандықтан, бұл өнімділік алшақтығы кеңейеді деп күтілуде.

Сонымен қатар, GaN құрылғыларында төмен заряд, нөлдік кері қалпына келтіру және жоғары сапалы коммутация өнімділігін қамтамасыз ететін тегіс шығыс сыйымдылығы сияқты маңызды артықшылықтар бар. 1200 В-тан төмен орташа және төмен кернеу қолданбаларында GaN коммутациялық шығындары SiC-тен кемінде үш есе төмен. Жиілік тұрғысынан алғанда, кремний негізіндегі конструкциялардың көпшілігі қазіргі уақытта 60 кГц пен 300 кГц арасында жұмыс істейді. SiC жиілікте жақсарғанымен, GaN жақсартулары 500 кГц және одан жоғары жиіліктерге қол жеткізе отырып, айқынырақ.

SiC әдетте 1200 В және одан жоғары кернеулер үшін 650 В үшін жарамды бірнеше өніммен қолданылғандықтан, оны қолдану маңызды нарықтар болып табылатын 30-40 В тұрмыстық электроника, 48 В гибридті көліктер және деректер орталықтары сияқты белгілі бір конструкцияларда шектеулі. Сондықтан бұл нарықтардағы SiC рөлі шектеулі. Екінші жағынан, GaN деректер орталықтарында, тұрмыстық электроникада, жаңартылатын энергия көздерінде, автомобиль жасауда және өнеркәсіп салаларында айтарлықтай үлес қоса отырып, осы кернеу деңгейлерінен асып түседі.

Инженерлерге GaN FETs (Өріс әсерлі транзисторлар) және SiC арасындағы өнімділік айырмашылықтарын жақсы түсінуге көмектесу үшін GaN Systems тиісінше SiC және GaN көмегімен екі 650В, 15А қуат көздерін жобалады және егжей-тегжейлі салыстырмалы сынақтар жүргізді.

GaN және SiC салыстыру

GaN E-HEMT (жақсартылған жоғары электронды ұтқырлық транзисторы) жоғары жылдамдықты коммутация қолданбаларында класындағы ең жақсы SiC MOSFET-пен салыстыра отырып, синхронды бак DC-DC түрлендіргіштерінде пайдаланылған кезде GaN E- түрлендіргіші бар екені анықталды. HEMT SiC MOSFET-пен салыстырғанда әлдеқайда жоғары тиімділікті көрсетті. Бұл салыстыру GaN E-HEMT коммутация жылдамдығы, паразиттік сыйымдылық, коммутациялық жоғалтулар және жылу өнімділігі сияқты негізгі көрсеткіштер бойынша жоғарғы SiC MOSFET-тен асып түсетінін анық көрсетеді. Сонымен қатар, SiC салыстырғанда, GaN E-HEMT ықшам және тиімді қуат түрлендіргіш конструкцияларына қол жеткізуде маңызды артықшылықтарды көрсетеді.

Неліктен GaN белгілі бір жағдайларда SiC-тен жоғары болуы мүмкін?

Бүгінгі таңда кремнийдің дәстүрлі технологиясы өзінің шегіне жетті және GaN иеленетін көптеген артықшылықтарды ұсына алмайды, ал SiC қолдануы нақты пайдалану сценарийлерімен шектелген. «Белгілі бір жағдайларда» термині осы материалдардың арнайы қолданбалардағы шектеулеріне сілтеме жасайды. Барған сайын электр қуатына тәуелді әлемде GaN бар өнім жеткізуді жақсартып қана қоймайды, сонымен қатар бизнестің бәсекеге қабілетті болуына көмектесетін инновациялық шешімдерді жасайды.

GaN қуат жартылай өткізгіштері ерте қолданылудан жаппай өндіріске көшкен кезде, бизнес шешімдерін қабылдаушылардың негізгі міндеті GaN қуат жартылай өткізгіштері жалпы өнімділіктің жоғары деңгейін ұсына алатынын мойындау болып табылады. Бұл тұтынушыларға нарық үлесі мен кірістілігін арттыруға көмектесіп қана қоймай, операциялық шығындар мен күрделі шығындарды тиімді азайтады.

Осы жылдың қыркүйегінде Infineon және GaN Systems бірлесіп жаңа төртінші буындағы Gallium Nitride платформасын (Gen 4 GaN Power Platform) іске қосты. 2022 жылы 3,2 кВт AI серверінің қуат көзінен қазіргі төртінші буын платформасына дейін оның тиімділігі 80 Plus Titanium тиімділік стандартынан асып қана қоймайды, сонымен қатар оның қуат тығыздығы 100 Вт/дю³-ден 120 Вт/дю³ге дейін өсті. Бұл платформа энергия тиімділігі мен өлшемдегі жаңа көрсеткіштерді белгілеп қана қоймайды, сонымен қатар айтарлықтай жоғары өнімділікті ұсынады.

Қорытындылай келе, GaN компанияларын сатып алатын SiC компаниялары немесе SiC компанияларын сатып алатын GaN компаниялары болсын, негізгі мотивация олардың нарығы мен қолдану өрістерін кеңейту болып табылады. Өйткені, GaN және SiC екеуі де кең диапазонды (WBG) материалдарына жатады және галий оксиді (Ga2O3) және антимонидтер сияқты болашақ төртінші буындағы жартылай өткізгіш материалдар бірте-бірте пайда болып, әртараптандырылған технологиялық экожүйені жасайды. Сондықтан бұл материалдар бірін-бірі алмастырмайды, керісінше, саланың өсуіне ықпал етеді.**