GaN en SiC: coëxistentie of vervanging?

Het streven naar een hogere vermogensdichtheid en efficiëntie is een belangrijke motor geworden voor innovatie in meerdere sectoren, waaronder datacenters, hernieuwbare energie, consumentenelektronica, elektrische voertuigen en technologieën voor autonoom rijden. Op het gebied van materialen met een brede bandgap (WBG) zijn galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC) momenteel de twee kernplatforms, die worden gezien als cruciale instrumenten die leiden tot innovatie op het gebied van vermogenshalfgeleiders. Deze materialen transformeren de vermogenselektronica-industrie ingrijpend om tegemoet te komen aan de steeds toenemende vraag naar stroom.

Sommige toonaangevende bedrijven in de SiC-industrie zijn zelfs actief bezig met het onderzoeken van GaN-technologie. In maart van dit jaar nam Infineon de Canadese GaN-startup GaN Systems over voor 830 miljoen dollar in contanten. Op dezelfde manier presenteerde ROHM onlangs zijn nieuwste SiC- en GaN-producten op PCIM Asia, met bijzondere nadruk op de GaN HEMT-apparaten van hun EcoGaN-merk. Omgekeerd nam Navitas Semiconductor, dat zich oorspronkelijk concentreerde op GaN-technologie, in augustus 2022 GeneSiC over en werd daarmee het enige bedrijf dat zich toelegde op de volgende generatie vermogenshalfgeleiderportfolio.

GaN en SiC vertonen inderdaad enige overlap in prestatie- en toepassingsscenario's. Daarom is het cruciaal om het toepassingspotentieel van deze twee materialen vanuit een systeemperspectief te evalueren. Hoewel verschillende fabrikanten hun eigen standpunten kunnen hebben tijdens het R&D-proces, is het essentieel om deze uitgebreid te beoordelen op basis van meerdere aspecten, waaronder ontwikkelingstrends, materiaalkosten, prestaties en ontwerpmogelijkheden.

Wat zijn de belangrijkste trends in de vermogenselektronica-industrie waaraan GaN voldoet?

Jim Witham, CEO van GaN Systems, heeft er niet voor gekozen een stap terug te doen zoals andere leidinggevenden van overgenomen bedrijven; in plaats daarvan blijft hij regelmatig in het openbaar optreden. Onlangs benadrukte hij in een toespraak het belang van GaN-vermogenshalfgeleiders, waarbij hij opmerkte dat deze technologie ontwerpers en fabrikanten van energiesystemen zal helpen bij het aanpakken van drie belangrijke trends die momenteel de vermogenselektronica-industrie transformeren, waarbij GaN in elke trend een cruciale rol speelt.

Jim Witham, CEO van GaN Systems

Ten eerste de kwestie van de energie-efficiëntie. Er wordt voorspeld dat de mondiale vraag naar energie tegen 2050 met meer dan 50% zal stijgen, waardoor het absoluut noodzakelijk wordt om de energie-efficiëntie te optimaliseren en de transitie naar hernieuwbare energie te versnellen. De huidige transitie richt zich niet alleen op energie-efficiëntie, maar strekt zich ook uit tot meer uitdagende aspecten zoals energieonafhankelijkheid en integratie met het reguliere elektriciteitsnet. GaN-technologie biedt aanzienlijke energiebesparende voordelen in energie- en opslagtoepassingen. Micro-omvormers op zonne-energie die GaN gebruiken, kunnen bijvoorbeeld meer elektriciteit opwekken; De toepassing van GaN in AC-DC-conversie en omvormers kan de energieverspilling in batterijopslagsystemen tot 50% verminderen.

Ten tweede het elektrificatieproces, vooral in de transportsector. Elektrische voertuigen zijn altijd het middelpunt van deze trend geweest. De elektrificatie breidt zich echter uit naar twee- en driewielig transport (zoals fietsen, motorfietsen en riksja's) in dichtbevolkte stedelijke gebieden, vooral in Azië. Naarmate deze markten volwassener worden, zullen de voordelen van GaN-vermogenstransistors prominenter worden, en zal GaN een cruciale rol spelen bij het verbeteren van de levenskwaliteit en de bescherming van het milieu.

Ten slotte ondergaat de digitale wereld enorme veranderingen om te voldoen aan de vraag naar realtime gegevens en de snelle ontwikkeling van kunstmatige intelligentie (AI). De huidige technologieën voor energieconversie en -distributie in datacenters kunnen de snel toenemende eisen van cloud computing en machine learning, en met name van energievretende AI-toepassingen, niet bijhouden. Door energiebesparingen te realiseren, de koelingsvereisten te verminderen en de kosteneffectiviteit te verbeteren, hervormt de GaN-technologie het stroomvoorzieningslandschap van datacenters. De combinatie van generatieve AI en GaN-technologie zal een efficiëntere, duurzamere en robuustere toekomst voor datacenters creëren.

Als bedrijfsleider en fervent pleitbezorger voor het milieu gelooft Jim Witham dat de snelle vooruitgang van de GaN-technologie aanzienlijke gevolgen zal hebben voor verschillende energieafhankelijke industrieën en diepgaande gevolgen zal hebben voor de wereldeconomie. Hij is het ook eens met de marktvoorspellingen dat de inkomsten uit GaN-stroomhalfgeleiders binnen de komende vijf jaar 6 miljard dollar zullen bedragen, waarbij hij opmerkt dat GaN-technologie unieke voordelen en kansen biedt in de concurrentie met SiC.

Hoe verhoudt GaN zich tot SiC in termen van concurrentievoordeel?

In het verleden bestonden er enkele misvattingen over GaN-vermogenshalfgeleiders, waarbij velen geloofden dat ze geschikter waren voor oplaadtoepassingen in consumentenelektronica. Het belangrijkste onderscheid tussen GaN en SiC ligt echter in hun toepassingen in het spanningsbereik. GaN presteert beter in laag- en middenspanningstoepassingen, terwijl SiC vooral wordt gebruikt voor hoogspanningstoepassingen boven de 1200V. Niettemin houdt de keuze tussen deze twee materialen rekening met spanning, prestaties en kostenfactoren.

Op de PCIM Europe-beurs van 2023 presenteerde GaN Systems bijvoorbeeld GaN-oplossingen die aanzienlijke verbeteringen op het gebied van vermogensdichtheid en efficiëntie lieten zien. Vergeleken met SiC-transistorontwerpen bereikten op GaN gebaseerde 11 kW/800 V ingebouwde laders (OBC) een toename van 36% in vermogensdichtheid en een verlaging van 15% in materiaalkosten. Dit ontwerp integreert ook een vliegende condensatortopologie op drie niveaus in een brugloze totempaal-PFC-configuratie en dubbele actieve brugtechnologie, waardoor de spanningsstress met 50% wordt verminderd met behulp van GaN-transistors.

In de drie belangrijkste toepassingen van elektrische voertuigen – ingebouwde laders (OBC), DC-DC-omvormers en tractie-omvormers – heeft GaN Systems met Toyota samengewerkt om een ​​volledig GaN-autoprototype te ontwikkelen en productieklare OBC-oplossingen te leveren voor de Amerikaanse EV-startup Canoo, en werkte samen met Vitesco Technologies om GaN DC-DC-converters te ontwikkelen voor 400V en 800V EV-stroomsystemen, waardoor autofabrikanten meer keuzemogelijkheden krijgen.

Jim Witham is van mening dat klanten die momenteel afhankelijk zijn van SiC waarschijnlijk snel zullen overstappen op GaN om twee redenen: de beperkte beschikbaarheid en de hoge kosten van materialen. Naarmate de stroomvraag in verschillende sectoren toeneemt, van datacenters tot de automobielsector, zal een vroege transitie naar GaN-technologie deze ondernemingen in staat stellen de tijd te verkorten die nodig is om de concurrentie in de toekomst in te halen.

Vanuit het perspectief van de toeleveringsketen is SiC duurder en heeft het te maken met aanbodbeperkingen in vergelijking met GaN. Omdat GaN op siliciumwafels wordt geproduceerd, daalt de prijs ervan snel naarmate de marktvraag toeneemt, en kunnen de toekomstige prijzen en het concurrentievermogen nauwkeuriger worden voorspeld. Omgekeerd zouden het beperkte aantal SiC-leveranciers en de lange doorlooptijden, doorgaans tot een jaar, de kosten kunnen verhogen en de vraag naar autoproductie na 2025 kunnen beïnvloeden.

In termen van schaalbaarheid is GaN bijna “oneindig” schaalbaar omdat het op siliciumwafels kan worden vervaardigd met behulp van dezelfde apparatuur als miljarden CMOS-apparaten. GaN kan binnenkort worden geproduceerd op 8-inch, 12-inch en zelfs 15-inch wafers, terwijl SiC MOSFET's doorgaans worden vervaardigd op 4-inch of 6-inch wafers en nog maar net beginnen over te gaan naar 8-inch wafers.

In termen van technische prestaties is GaN momenteel het snelste stroomschakelapparaat ter wereld, met een hogere vermogensdichtheid en uitgangsefficiëntie dan andere halfgeleiderapparaten. Dit levert aanzienlijke voordelen op voor consumenten en bedrijven, of het nu gaat om kleinere apparaatformaten, hogere oplaadsnelheden of lagere koelingskosten en energieverbruik voor datacenters. GaN biedt enorme voordelen.

Systemen gebouwd met GaN laten een aanzienlijk hogere vermogensdichtheid zien in vergelijking met SiC. Naarmate de adoptie van GaN zich verspreidt, ontstaan ​​er voortdurend nieuwe energiesysteemproducten met kleinere afmetingen, terwijl SiC niet hetzelfde niveau van miniaturisatie kan bereiken. Volgens GaN Systems hebben de prestaties van hun apparaten van de eerste generatie die van de nieuwste SiC-halfgeleiderapparaten van de vijfde generatie al overtroffen. Aangezien de GaN-prestaties op de korte termijn vijf tot tien keer verbeteren, wordt verwacht dat deze prestatiekloof groter zal worden.

Bovendien beschikken GaN-apparaten over aanzienlijke voordelen, zoals een lage poortlading, nul-reverse-herstel en een vlakke uitgangscapaciteit, waardoor schakelprestaties van hoge kwaliteit mogelijk zijn. Bij midden- tot laagspanningstoepassingen onder 1200 V zijn de schakelverliezen van GaN minstens drie keer lager dan die van SiC. Vanuit frequentieperspectief werken de meeste op silicium gebaseerde ontwerpen momenteel tussen 60 kHz en 300 kHz. Hoewel de frequentie van SiC is verbeterd, zijn de verbeteringen van GaN duidelijker en worden frequenties van 500 kHz en hoger bereikt.

Omdat SiC doorgaans wordt gebruikt voor spanningen van 1200 V en hogere spanningen en er slechts een paar producten geschikt zijn voor 650 V, is de toepassing ervan beperkt in bepaalde ontwerpen, zoals 30-40 V consumentenelektronica, 48 V hybride voertuigen en datacenters, die allemaal belangrijke markten zijn. Daarom is de rol van SiC op deze markten beperkt. GaN daarentegen blinkt uit in deze spanningsniveaus en levert een aanzienlijke bijdrage in datacenters, consumentenelektronica, hernieuwbare energie, de automobielsector en de industriële sector.

Om ingenieurs te helpen de prestatieverschillen tussen GaN FET's (Field Effect Transistors) en SiC beter te begrijpen, ontwierp GaN Systems twee 650V, 15A voedingen met respectievelijk SiC en GaN, en voerde gedetailleerde vergelijkende tests uit.

GaN versus SiC onderlinge vergelijking

Door de GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) te vergelijken met de beste SiC MOSFET in zijn klasse in snelle schakeltoepassingen, werd ontdekt dat bij gebruik in synchrone buck DC-DC-converters de converter met GaN E- HEMT vertoonde een veel hoger rendement dan die met SiC MOSFET. Deze vergelijking laat duidelijk zien dat GaN E-HEMT beter presteert dan de beste SiC MOSFET op het gebied van belangrijke meetgegevens zoals schakelsnelheid, parasitaire capaciteit, schakelverliezen en thermische prestaties. Bovendien vertoont GaN E-HEMT, vergeleken met SiC, aanzienlijke voordelen bij het bereiken van compactere en efficiëntere stroomomvormerontwerpen.

Waarom zou GaN onder bepaalde omstandigheden potentieel beter kunnen presteren dan SiC?

Tegenwoordig heeft de traditionele siliciumtechnologie zijn grenzen bereikt en kan deze niet de talrijke voordelen bieden die GaN biedt, terwijl de toepassing van SiC beperkt is tot specifieke gebruiksscenario's. De term “onder bepaalde omstandigheden” verwijst naar de beperkingen van deze materialen in specifieke toepassingen. In een wereld die steeds afhankelijker wordt van elektriciteit, verbetert GaN niet alleen het bestaande productaanbod, maar creëert het ook innovatieve oplossingen die bedrijven helpen concurrerend te blijven.

Terwijl GaN-vermogenshalfgeleiders overgaan van vroege adoptie naar massaproductie, is de primaire taak voor zakelijke besluitvormers te erkennen dat GaN-vermogenshalfgeleiders een hoger niveau van algehele prestaties kunnen bieden. Dit helpt klanten niet alleen hun marktaandeel en winstgevendheid te vergroten, maar verlaagt ook effectief de bedrijfskosten en kapitaaluitgaven.

In september van dit jaar lanceerden Infineon en GaN Systems gezamenlijk een nieuw Gallium Nitride-platform van de vierde generatie (Gen 4 GaN Power Platform). Van de 3,2 kW AI-servervoeding in 2022 tot het huidige platform van de vierde generatie, de efficiëntie overtreft niet alleen de 80 Plus Titanium-efficiëntienorm, maar de vermogensdichtheid is ook toegenomen van 100 W/in³ naar 120 W/in³. Dit platform zet niet alleen nieuwe maatstaven op het gebied van energie-efficiëntie en omvang, maar biedt ook aanzienlijk superieure prestaties.

Samenvattend: of het nu SiC-bedrijven zijn die GaN-bedrijven overnemen of GaN-bedrijven die SiC-bedrijven overnemen, de onderliggende motivatie is om hun markt- en toepassingsgebieden uit te breiden. GaN en SiC behoren immers allebei tot materialen met een brede bandgap (WBG), en toekomstige halfgeleidermaterialen van de vierde generatie, zoals galliumoxide (Ga2O3) en antimoniden, zullen geleidelijk opkomen, waardoor een gediversifieerd technologisch ecosysteem ontstaat. Daarom vervangen deze materialen elkaar niet, maar stimuleren ze gezamenlijk de groei van de industrie.**