GaN och SiC: samexistens eller substitution?

Strävan efter högre effekttäthet och effektivitet har blivit en primär drivkraft för innovation inom flera branscher, inklusive datacenter, förnybar energi, konsumentelektronik, elfordon och teknik för autonom körning. När det gäller material med breda bandgap (WBG) är galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC) för närvarande de två kärnplattformarna, ses som centrala verktyg som leder krafthalvledarinnovation. Dessa material förändrar kraftelektronikindustrin på djupet för att möta den ständigt ökande efterfrågan på kraft.

Faktum är att några ledande företag inom SiC-industrin också aktivt utforskar GaN-teknik. I mars i år förvärvade Infineon den kanadensiska GaN-startupen GaN Systems för 830 miljoner dollar i kontanter. Likaså visade ROHM nyligen upp sina senaste SiC- och GaN-produkter på PCIM Asia, med särskild tonvikt på deras EcoGaN-märkes GaN HEMT-enheter. Omvänt, i augusti 2022, förvärvade Navitas Semiconductor, som ursprungligen fokuserade på GaN-teknologi, GeneSiC, och blev det enda företaget dedikerat till nästa generations krafthalvledarportfölj.

GaN och SiC uppvisar viss överlappning i prestanda och tillämpningsscenarier. Därför är det avgörande att utvärdera tillämpningspotentialen för dessa två material ur ett systemperspektiv. Även om olika tillverkare kan ha sina egna synpunkter under FoU-processen, är det viktigt att heltäckande bedöma dem från flera aspekter, inklusive utvecklingstrender, materialkostnader, prestanda och designmöjligheter.

Vilka är de viktigaste trenderna inom kraftelektronikbranschen som GaN möter?

Jim Witham, VD för GaN Systems, har inte valt att gå tillbaka som andra chefer i förvärvade företag; istället fortsätter han att göra frekventa offentliga framträdanden. Nyligen, i ett tal, betonade han vikten av GaN krafthalvledare, och noterade att denna teknik kommer att hjälpa kraftsystemdesigners och tillverkare att ta itu med tre nyckeltrender som för närvarande förändrar kraftelektronikindustrin, där GaN spelar en avgörande roll i varje trend.

GaN Systems vd Jim Witham

För det första frågan om energieffektivitet. Det förutspås att den globala energiefterfrågan kommer att öka med över 50 % till 2050, vilket gör det absolut nödvändigt att optimera energieffektiviteten och påskynda övergången till förnybar energi. Den nuvarande övergången fokuserar inte bara på energieffektivitet utan sträcker sig också till mer utmanande aspekter som energioberoende och integration med det vanliga elnätet. GaN-teknik erbjuder betydande energibesparande fördelar i energi- och lagringstillämpningar. Till exempel kan mikroväxelriktare för solenergi som använder GaN generera mer elektricitet; GaN:s applikation inom AC-DC-konvertering och växelriktare kan minska energisvinnet i batterilagringssystem med upp till 50 %.

För det andra, elektrifieringsprocessen, särskilt inom transportsektorn. Elfordon har alltid varit i fokus för denna trend. Men elektrifieringen expanderar till två- och trehjuliga transporter (som cyklar, motorcyklar och rickshaws) i tätbefolkade stadsområden, särskilt i Asien. När dessa marknader mognar kommer fördelarna med GaN krafttransistorer att bli mer framträdande, och GaN kommer att spela en avgörande roll för att förbättra livskvaliteten och miljöskyddet.

Slutligen genomgår den digitala världen massiva förändringar för att möta realtidsdatakraven och den snabba utvecklingen av artificiell intelligens (AI). Nuvarande energikonverterings- och distributionstekniker i datacenter kan inte hålla jämna steg med de snabbt ökande kraven från molnberäkning och maskininlärning, särskilt kraftkrävande AI-applikationer. Genom att uppnå energibesparingar, minska kylningskraven och förbättra kostnadseffektiviteten, omformar GaN-tekniken strömförsörjningslandskapet för datacenter. Kombinationen av generativ AI och GaN-teknik kommer att skapa en mer effektiv, hållbar och robust framtid för datacenter.

Som företagsledare och hängiven miljöförespråkare tror Jim Witham att den snabba utvecklingen av GaN-teknik kommer att avsevärt påverka olika maktberoende industrier och få djupgående konsekvenser för den globala ekonomin. Han instämmer också i marknadens förutsägelser om att GaNs krafthalvledarintäkter kommer att nå 6 miljarder USD inom de kommande fem åren, och noterar att GaN-teknologin erbjuder unika fördelar och möjligheter i konkurrensen med SiC.

Hur jämför GaN med SiC när det gäller konkurrensfördelar?

Tidigare fanns det vissa missuppfattningar om GaN-krafthalvledare, och många trodde att de var mer lämpade för laddningstillämpningar inom hemelektronik. Den primära skillnaden mellan GaN och SiC ligger emellertid i deras spänningsområdestillämpningar. GaN presterar bättre i låg- och mellanspänningstillämpningar, medan SiC främst används för högspänningstillämpningar som överstiger 1200V. Ändå innebär valet mellan dessa två material att överväga spänning, prestanda och kostnadsfaktorer.

Till exempel, på PCIM Europe-mässan 2023, visade GaN Systems upp GaN-lösningar som visade betydande framsteg i effekttäthet och effektivitet. Jämfört med SiC-transistorkonstruktioner uppnådde GaN-baserade 11kW/800V inbyggda laddare (OBC) en 36 % ökning av effekttätheten och en 15 % minskning av materialkostnaderna. Denna design integrerar också en flygande kondensatortopologi i tre nivåer i en brygglös totempol-PFC-konfiguration och dubbel aktiv bryggteknologi, vilket minskar spänningsspänningen med 50 % med hjälp av GaN-transistorer.

I de tre nyckelapplikationerna för elfordon – inbyggda laddare (OBC), DC-DC-omvandlare och traktionsväxelriktare – har GaN Systems samarbetat med Toyota för att utveckla en helt GaN-bilprototyp, tillhandahållit produktionsklara OBC-lösningar för den amerikanska EV-starten Canoo, och samarbetade med Vitesco Technologies för att utveckla GaN DC-DC-omvandlare för 400V och 800V EV-kraftsystem, vilket ger fler valmöjligheter för biltillverkare.

Jim Witham tror att kunder som för närvarande är beroende av SiC sannolikt snabbt kommer att byta till GaN av två skäl: den begränsade tillgängligheten och de höga kostnaderna för material. När energibehoven ökar inom olika branscher, från datacenter till bilindustrin, kommer en tidig övergång till GaN-teknik att göra det möjligt för dessa företag att förkorta tiden som krävs för att komma ikapp konkurrenterna i framtiden.

Ur ett leveranskedjeperspektiv är SiC dyrare och möter leveransbegränsningar jämfört med GaN. Eftersom GaN produceras på kiselwafers, sjunker dess pris snabbt med ökande efterfrågan på marknaden, och framtida pris och konkurrenskraft kan förutsägas mer exakt. Omvänt kan det begränsade antalet SiC-leverantörer och långa ledtider, vanligtvis upp till ett år, öka kostnaderna och påverka efterfrågan på biltillverkning efter 2025.

När det gäller skalbarhet är GaN nästan "oändligt" skalbar eftersom den kan tillverkas på kiselskivor med samma utrustning som miljarder CMOS-enheter. GaN kan snart produceras på 8-tums, 12-tums och till och med 15-tums wafers, medan SiC MOSFETs vanligtvis tillverkas på 4-tums eller 6-tums wafers och precis börjar gå över till 8-tums wafers.

När det gäller teknisk prestanda är GaN för närvarande världens snabbaste strömbrytarenhet, och erbjuder högre effekttäthet och uteffekt än andra halvledarenheter. Detta ger betydande fördelar för konsumenter och företag, oavsett om det gäller mindre enhetsstorlekar, högre laddningshastigheter eller minskade kylkostnader och energiförbrukning för datacenter. GaN uppvisar enorma fördelar.

System byggda med GaN uppvisar betydligt högre effekttäthet jämfört med SiC. När GaN-antagandet sprider sig, dyker det hela tiden upp nya kraftsystemprodukter med mindre storlekar, medan SiC inte kan uppnå samma nivå av miniatyrisering. Enligt GaN Systems har prestandan för deras första generationens enheter redan överträffat den för den senaste femte generationens SiC-halvledarenheter. Eftersom GaN-prestanda förbättras med 5 till 10 gånger på kort sikt förväntas detta prestandagap att öka.

Dessutom har GaN-enheter betydande fördelar såsom låg grindladdning, noll omvänd återhämtning och platt utgångskapacitans, vilket möjliggör omkopplingsprestanda av hög kvalitet. I medel- till lågspänningstillämpningar under 1200V är GaN:s kopplingsförluster minst tre gånger lägre än SiC. Ur ett frekvensperspektiv fungerar de flesta kiselbaserade konstruktioner för närvarande mellan 60kHz och 300kHz. Även om SiC har förbättrats i frekvens, är GaNs förbättringar mer uttalade och uppnår 500 kHz och högre frekvenser.

Eftersom SiC vanligtvis används för 1200V och högre spänningar med endast ett fåtal produkter lämpliga för 650V, är dess tillämpning begränsad i vissa konstruktioner, såsom 30-40V hemelektronik, 48V hybridfordon och datacenter, som alla är viktiga marknader. Därför är SiC:s roll på dessa marknader begränsad. GaN, å andra sidan, utmärker sig i dessa spänningsnivåer och ger betydande bidrag inom datacenter, konsumentelektronik, förnybar energi, fordons- och industrisektorer.

För att hjälpa ingenjörer att bättre förstå prestandaskillnaderna mellan GaN FET (fälteffekttransistorer) och SiC, designade GaN Systems två 650V, 15A nätaggregat med SiC respektive GaN, och utförde detaljerade jämförande tester.

GaN vs SiC Head-to-head jämförelse

Genom att jämföra GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) med klassens bästa SiC MOSFET i höghastighetsväxlingstillämpningar, fann man att när den används i synkrona buck DC-DC-omvandlare, omvandlaren med GaN E- HEMT uppvisade mycket högre effektivitet än den med SiC MOSFET. Denna jämförelse visar tydligt att GaN E-HEMT överträffar topp SiC MOSFET i nyckelmått som växlingshastighet, parasitisk kapacitans, växlingsförluster och termisk prestanda. Jämfört med SiC visar GaN E-HEMT dessutom betydande fördelar när det gäller att uppnå mer kompakta och effektiva kraftomvandlardesigner.

Varför skulle GaN potentiellt kunna överträffa SiC under vissa förhållanden?

Idag har traditionell kiselteknologi nått sina gränser och kan inte erbjuda de många fördelar som GaN har, medan SiC:s applikation är begränsad till specifika användningsscenarier. Termen "under vissa förhållanden" hänvisar till begränsningarna för dessa material i specifika tillämpningar. I en värld som blir allt mer beroende av el, förbättrar GaN inte bara befintlig produktförsörjning utan skapar också innovativa lösningar som hjälper företag att förbli konkurrenskraftiga.

När GaN-krafthalvledare övergår från tidig användning till massproduktion är den primära uppgiften för affärsbeslutsfattare att inse att GaN-krafthalvledare kan erbjuda en högre nivå av övergripande prestanda. Detta hjälper inte bara kunderna att öka marknadsandelar och lönsamhet utan minskar också effektivt driftskostnader och investeringar.

I september i år lanserade Infineon och GaN Systems tillsammans en ny fjärde generationens Gallium Nitride-plattform (Gen 4 GaN Power Platform). Från 3,2 kW AI-serverns strömförsörjning 2022 till den nuvarande fjärde generationens plattform, dess effektivitet överträffar inte bara effektivitetsstandarden 80 Plus Titanium, utan dess effekttäthet har också ökat från 100W/in³ till 120W/in³. Denna plattform sätter inte bara nya riktmärken när det gäller energieffektivitet och storlek utan erbjuder också avsevärt överlägsen prestanda.

Sammanfattningsvis, oavsett om det är SiC-företag som förvärvar GaN-företag eller GaN-företag som förvärvar SiC-företag, är den underliggande motivationen att utöka sina marknader och applikationsområden. När allt kommer omkring tillhör GaN och SiC båda material med breda bandgap (WBG), och framtida fjärde generationens halvledarmaterial som Gallium Oxide (Ga2O3) och Antimonides kommer gradvis att dyka upp och skapa ett diversifierat tekniskt ekosystem. Därför ersätter dessa material inte varandra utan driver snarare kollektivt industritillväxt.**