GaN و SiC: همزیستی یا جایگزینی؟

فشار برای چگالی توان و راندمان بالاتر به محرک اصلی نوآوری در صنایع مختلف از جمله مراکز داده، انرژی های تجدیدپذیر، لوازم الکترونیکی مصرفی، وسایل نقلیه الکتریکی و فناوری های رانندگی خودران تبدیل شده است. در حوزه مواد باند پهن (WBG)، نیترید گالیوم (GaN) و کاربید سیلیکون (SiC) در حال حاضر دو پلت فرم اصلی هستند که به عنوان ابزارهای محوری پیشرو در نوآوری نیمه هادی های قدرت در نظر گرفته می شوند. این مواد عمیقاً صنعت الکترونیک قدرت را برای رسیدگی به تقاضای روزافزون برای برق متحول می کنند.

در واقع، برخی از شرکت های پیشرو در صنعت SiC نیز به طور فعال در حال بررسی فناوری GaN هستند. در مارس سال جاری، Infineon استارت‌آپ GaN Canada GaN Systems را به مبلغ 830 میلیون دلار به صورت نقد خریداری کرد. به همین ترتیب، ROHM اخیراً آخرین محصولات SiC و GaN خود را در PCIM آسیا با تأکید ویژه بر دستگاه‌های GaN HEMT برند EcoGaN خود به نمایش گذاشت. برعکس، در آگوست 2022، Navitas Semiconductor، که در اصل بر فناوری GaN تمرکز داشت، GeneSiC را خریداری کرد و تبدیل به تنها شرکتی شد که به مجموعه نیمه هادی های قدرت نسل بعدی اختصاص داشت.

در واقع، GaN و SiC در عملکرد و سناریوهای کاربردی همپوشانی دارند. بنابراین، ارزیابی پتانسیل کاربرد این دو ماده از دیدگاه سیستم بسیار مهم است. اگرچه تولیدکنندگان مختلف ممکن است دیدگاه‌های خاص خود را در طول فرآیند تحقیق و توسعه داشته باشند، ارزیابی جامع آنها از جنبه‌های مختلف، از جمله روند توسعه، هزینه‌های مواد، عملکرد و فرصت‌های طراحی ضروری است.

روندهای کلیدی در صنعت الکترونیک قدرت که GaN با آن روبرو می شود چیست؟

جیم ویتام، مدیر عامل GaN Systems، مانند سایر مدیران شرکت‌های خریداری شده، تصمیم به عقب‌نشینی نکرده است. در عوض، او همچنان به حضور مکرر عمومی ادامه می دهد. او اخیراً در سخنانی بر اهمیت نیمه هادی های قدرت GaN تاکید کرد و خاطرنشان کرد که این فناوری به طراحان و سازندگان سیستم های قدرت کمک می کند تا سه گرایش کلیدی را که در حال حاضر صنعت الکترونیک قدرت را متحول کرده اند، با GaN ایفا می کند که نقش مهمی در هر روند ایفا می کند.

جیم ویتم، مدیرعامل گان سیستمز

اول، بحث بهره وری انرژی. پیش بینی می شود که تقاضای جهانی برق تا سال 2050 بیش از 50 درصد افزایش یابد و بهینه سازی بهره وری انرژی و تسریع انتقال به انرژی های تجدیدپذیر ضروری باشد. انتقال فعلی نه تنها بر بهره وری انرژی متمرکز است، بلکه به جنبه های چالش برانگیزتر مانند استقلال انرژی و ادغام با شبکه اصلی برق نیز گسترش می یابد. فناوری GaN مزایای قابل توجهی در صرفه جویی در انرژی در کاربردهای انرژی و ذخیره سازی ارائه می دهد. به عنوان مثال، میکرواینورترهای خورشیدی با استفاده از GaN می توانند الکتریسیته بیشتری تولید کنند. کاربرد GaN در تبدیل AC-DC و اینورترها می تواند اتلاف انرژی در سیستم های ذخیره سازی باتری را تا 50 درصد کاهش دهد.

دوم، فرآیند برق رسانی، به ویژه در بخش حمل و نقل. خودروهای برقی همواره مورد توجه این روند بوده اند. با این حال، برق رسانی به حمل و نقل دو چرخ و سه چرخ (مانند دوچرخه، موتور سیکلت و ریکشا) در مناطق شهری پرجمعیت، به ویژه در آسیا، در حال گسترش است. همانطور که این بازارها بالغ می شوند، مزایای ترانزیستورهای قدرت GaN برجسته تر می شوند و GaN نقش مهمی در بهبود کیفیت زندگی و حفاظت از محیط زیست ایفا می کند.

در نهایت، دنیای دیجیتال دستخوش تغییرات عظیمی برای پاسخگویی به تقاضای داده های بلادرنگ و توسعه سریع هوش مصنوعی (AI) است. فناوری‌های تبدیل و توزیع برق کنونی در مراکز داده نمی‌توانند با تقاضاهای رو به افزایش رایانش ابری و یادگیری ماشین، به‌ویژه برنامه‌های کاربردی هوش مصنوعی تشنه‌ی انرژی، سازگاری داشته باشند. فناوری GaN با دستیابی به صرفه جویی در انرژی، کاهش نیازهای خنک کننده و افزایش مقرون به صرفه بودن، چشم انداز منبع تغذیه مراکز داده را تغییر می دهد. ترکیبی از فناوری هوش مصنوعی و GaN آینده ای کارآمدتر، پایدارتر و قوی تر برای مراکز داده ایجاد می کند.

جیم ویتام به عنوان یک رهبر تجاری و مدافع سرسخت محیط زیست معتقد است که پیشرفت سریع فناوری GaN به طور قابل توجهی بر صنایع مختلف وابسته به قدرت تأثیر می گذارد و پیامدهای عمیقی بر اقتصاد جهانی خواهد داشت. او همچنین با پیش‌بینی‌های بازار مبنی بر اینکه درآمد نیمه‌هادی‌های قدرت GaN ظرف پنج سال آینده به 6 میلیارد دلار خواهد رسید، موافق است و خاطرنشان کرد که فناوری GaN مزایا و فرصت‌های منحصر به فردی را در رقابت با SiC ارائه می‌کند.

GaN از نظر مزیت رقابتی چگونه با SiC مقایسه می شود؟

در گذشته، تصورات نادرستی در مورد نیمه هادی های قدرت GaN وجود داشت، به طوری که بسیاری معتقد بودند که آنها برای شارژ برنامه های کاربردی در لوازم الکترونیکی مصرفی مناسب تر هستند. با این حال، تمایز اولیه بین GaN و SiC در کاربردهای محدوده ولتاژ آنها نهفته است. GaN در کاربردهای ولتاژ پایین و متوسط ​​عملکرد بهتری دارد، در حالی که SiC عمدتاً برای کاربردهای ولتاژ بالای 1200 ولت استفاده می شود. با این وجود، انتخاب بین این دو ماده مستلزم در نظر گرفتن عوامل ولتاژ، عملکرد و هزینه است.

به عنوان مثال، در نمایشگاه PCIM اروپا در سال 2023، GaN Systems راه حل های GaN را به نمایش گذاشت که پیشرفت های قابل توجهی را در چگالی توان و کارایی نشان می داد. در مقایسه با طرح‌های ترانزیستور SiC، شارژرهای داخلی 11 کیلووات/800 ولت مبتنی بر GaN (OBC) به افزایش 36 درصدی در چگالی توان و کاهش 15 درصدی در هزینه‌های مواد دست یافتند. این طرح همچنین یک توپولوژی خازن پرنده سه سطحی را در یک پیکربندی PFC توتم-قطب بدون پل و فناوری پل فعال دوگانه ادغام می کند و با استفاده از ترانزیستورهای GaN تنش ولتاژ را تا 50 درصد کاهش می دهد.

در سه کاربرد کلیدی وسایل نقلیه الکتریکی - شارژرهای داخلی (OBC)، مبدل‌های DC-DC، و اینورترهای کششی - GaN Systems با تویوتا برای توسعه یک نمونه اولیه خودروی تمام GaN همکاری کرده و راه‌حل‌های OBC آماده تولید را برای استارت‌آپ آمریکایی EV ارائه کرده است. Canoo، و با Vitesco Technologies برای توسعه مبدل‌های GaN DC-DC برای سیستم‌های برق ۴۰۰ ولت و ۸۰۰ ولت EV همکاری کرد و انتخاب‌های بیشتری را برای خودروسازان ارائه کرد.

جیم ویتم معتقد است که مشتریانی که در حال حاضر به SiC متکی هستند احتمالاً به دو دلیل به سرعت به GaN روی می آورند: در دسترس بودن محدود و هزینه بالای مواد. با افزایش تقاضای برق در صنایع مختلف، از مراکز داده گرفته تا خودرو، انتقال زودهنگام به فناوری GaN این شرکت ها را قادر می سازد تا زمان مورد نیاز برای رسیدن به رقبا را در آینده کوتاه کنند.

از دیدگاه زنجیره تامین، SiC گران‌تر است و در مقایسه با GaN با محدودیت‌های عرضه مواجه است. از آنجایی که GaN بر روی ویفرهای سیلیکونی تولید می شود، قیمت آن با افزایش تقاضای بازار به سرعت کاهش می یابد و قیمت و رقابت آتی را می توان با دقت بیشتری پیش بینی کرد. برعکس، تعداد محدود تامین‌کنندگان SiC و زمان‌های طولانی مدت، معمولاً تا یک سال، می‌تواند هزینه‌ها را افزایش دهد و بر تقاضا برای تولید خودرو پس از سال 2025 تأثیر بگذارد.

از نظر مقیاس پذیری، GaN تقریباً "بی نهایت" مقیاس پذیر است زیرا می توان آن را روی ویفرهای سیلیکونی با استفاده از تجهیزات مشابه میلیاردها دستگاه CMOS تولید کرد. GaN را می توان به زودی بر روی ویفرهای 8 اینچی، 12 اینچی و حتی 15 اینچی تولید کرد، در حالی که ماسفت های SiC معمولاً بر روی ویفرهای 4 اینچی یا 6 اینچی تولید می شوند و تازه شروع به انتقال به ویفرهای 8 اینچی کرده اند.

از نظر عملکرد فنی، GaN در حال حاضر سریع‌ترین دستگاه سوئیچینگ برق جهان است که چگالی توان و راندمان خروجی بالاتری را نسبت به سایر دستگاه‌های نیمه‌رسانا ارائه می‌دهد. این مزیت‌های قابل توجهی را برای مصرف‌کنندگان و کسب‌وکارها به ارمغان می‌آورد، خواه در اندازه‌های دستگاه کوچک‌تر، سرعت شارژ سریع‌تر، یا کاهش هزینه‌های خنک‌کننده و مصرف انرژی برای مراکز داده. GaN مزایای بسیار زیادی را نشان می دهد.

سیستم های ساخته شده با GaN چگالی توان قابل توجهی در مقایسه با SiC نشان می دهند. با گسترش پذیرش GaN، محصولات جدید سیستم قدرت با اندازه های کوچکتر به طور مداوم در حال ظهور هستند، در حالی که SiC نمی تواند به همان سطح کوچک سازی دست یابد. طبق گفته GaN Systems، عملکرد دستگاه های نسل اول آنها از آخرین دستگاه های نیمه هادی SiC نسل پنجم پیشی گرفته است. همانطور که عملکرد GaN در کوتاه مدت 5 تا 10 برابر بهبود می یابد، انتظار می رود این شکاف عملکرد بیشتر شود.

علاوه بر این، دستگاه‌های GaN دارای مزایای قابل‌توجهی مانند شارژ کم گیت، بازیابی معکوس صفر، و خازن خروجی صاف هستند که عملکرد سوئیچینگ با کیفیت بالا را ممکن می‌سازد. در کاربردهای ولتاژ متوسط ​​تا پایین زیر 1200 ولت، تلفات سوئیچینگ GaN حداقل سه برابر کمتر از SiC است. از دیدگاه فرکانس، اکثر طرح های مبتنی بر سیلیکون در حال حاضر بین 60 کیلوهرتز تا 300 کیلوهرتز کار می کنند. اگرچه SiC از نظر فرکانس بهبود یافته است، بهبود GaN بارزتر است و به فرکانس‌های 500 کیلوهرتز و بالاتر می‌رسد.

از آنجایی که SiC معمولاً برای ولتاژهای 1200 ولت و بالاتر تنها با چند محصول مناسب برای 650 ولت استفاده می شود، کاربرد آن در طرح های خاصی مانند لوازم الکترونیکی مصرفی 30 تا 40 ولت، خودروهای هیبریدی 48 ولت و مراکز داده که همگی بازارهای مهمی هستند، محدود است. بنابراین، نقش SiC در این بازارها محدود است. از طرف دیگر GaN در این سطوح ولتاژ برتر است و سهم قابل توجهی در مراکز داده، لوازم الکترونیکی مصرفی، انرژی های تجدیدپذیر، خودرو و بخش های صنعتی دارد.

برای کمک به مهندسان برای درک بهتر تفاوت‌های عملکرد بین GaN FET (ترانزیستورهای اثر میدانی) و SiC، GaN Systems دو منبع تغذیه 650 ولت و 15 آمپر با استفاده از SiC و GaN به ترتیب طراحی کرد و آزمایش‌های مقایسه‌ای دقیقی انجام داد.

مقایسه سر به سر GaN در مقابل SiC

با مقایسه GaN E-HEMT (ترانزیستور با تحرک بالا با الکترون پیشرفته) با بهترین ماسفت SiC در کلاس در برنامه های سوئیچینگ پرسرعت، مشخص شد که هنگام استفاده در مبدل های DC-DC باک سنکرون، مبدل با GaN E- HEMT کارایی بسیار بالاتری نسبت به نمونه با ماسفت SiC نشان داد. این مقایسه به وضوح نشان می دهد که GaN E-HEMT در معیارهای کلیدی مانند سرعت سوئیچینگ، خازن انگلی، تلفات سوئیچینگ و عملکرد حرارتی از MOSFET SiC برتر بهتر عمل می کند. علاوه بر این، در مقایسه با SiC، GaN E-HEMT مزایای قابل توجهی در دستیابی به طرح‌های مبدل قدرت فشرده‌تر و کارآمدتر نشان می‌دهد.

چرا GaN می تواند تحت شرایط خاص به طور بالقوه بهتر از SiC عمل کند؟

امروزه، فناوری سیلیکون سنتی به محدودیت‌های خود رسیده است و نمی‌تواند مزایای متعددی را که GaN دارد ارائه دهد، در حالی که کاربرد SiC محدود به سناریوهای استفاده خاص است. اصطلاح "تحت شرایط معین" به محدودیت های این مواد در کاربردهای خاص اشاره دارد. در دنیایی که به طور فزاینده ای به برق وابسته است، GaN نه تنها عرضه محصولات موجود را بهبود می بخشد، بلکه راه حل های نوآورانه ای ایجاد می کند که به کسب و کارها کمک می کند رقابتی باقی بمانند.

همانطور که نیمه هادی های قدرت GaN از پذیرش اولیه به تولید انبوه در حال انتقال هستند، وظیفه اصلی تصمیم گیرندگان تجاری این است که تشخیص دهند که نیمه هادی های قدرت GaN می توانند سطح بالاتری از عملکرد کلی را ارائه دهند. این نه تنها به مشتریان کمک می کند تا سهم بازار و سودآوری خود را افزایش دهند، بلکه به طور موثر هزینه های عملیاتی و مخارج سرمایه ای را کاهش می دهد.

در سپتامبر سال جاری، Infineon و GaN Systems به طور مشترک یک پلت فرم جدید نسل چهارم گالیوم نیترید (Gen 4 GaN Power Platform) را راه اندازی کردند. از منبع تغذیه سرور 3.2 کیلوواتی هوش مصنوعی در سال 2022 تا پلتفرم نسل چهارم فعلی، راندمان آن نه تنها از استاندارد بازده تیتانیوم 80 پلاس فراتر می رود، بلکه چگالی توان آن نیز از 100 وات در اینچ به 120 وات در اینچ افزایش یافته است. این پلت فرم نه تنها معیارهای جدیدی را در بهره وری انرژی و اندازه تعیین می کند، بلکه عملکرد بسیار بهتری را نیز ارائه می دهد.

به طور خلاصه، چه شرکت‌های SiC شرکت‌های GaN را خریداری کنند یا شرکت‌های GaN شرکت‌های SiC را خریداری کنند، انگیزه اصلی گسترش بازار و زمینه‌های کاربردی آنهاست. از این گذشته، GaN و SiC هر دو متعلق به مواد باندگپ گسترده (WBG) هستند و مواد نیمه هادی نسل چهارم آینده مانند گالیوم اکسید (Ga2O3) و آنتیمونیدها به تدریج ظهور خواهند کرد و یک اکوسیستم تکنولوژیکی متنوع را ایجاد خواهند کرد. بنابراین، این مواد جایگزین یکدیگر نمی شوند، بلکه به طور جمعی باعث رشد صنعت می شوند.**