GaN dan SiC: Kewujudan Bersama atau Penggantian?

Dorongan untuk ketumpatan dan kecekapan kuasa yang lebih tinggi telah menjadi pemacu utama inovasi merentas pelbagai industri, termasuk pusat data, tenaga boleh diperbaharui, elektronik pengguna, kenderaan elektrik dan teknologi pemanduan autonomi. Dalam bidang bahan jurang jalur lebar (WBG), Gallium Nitride (GaN) dan Silicon Carbide (SiC) kini merupakan dua platform teras, dilihat sebagai alat penting yang menerajui inovasi semikonduktor kuasa. Bahan-bahan ini secara mendalam mengubah industri elektronik kuasa untuk menangani permintaan kuasa yang semakin meningkat.

Malah, beberapa syarikat terkemuka dalam industri SiC juga sedang giat meneroka teknologi GaN. Pada bulan Mac tahun ini, Infineon memperoleh GaN Systems permulaan GaN Kanada dengan wang tunai $830 juta. Begitu juga, ROHM baru-baru ini mempamerkan produk SiC dan GaN terbaharunya di PCIM Asia, dengan penekanan khusus pada peranti GaN HEMT jenama EcoGaN mereka. Sebaliknya, pada Ogos 2022, Navitas Semiconductor, yang pada asalnya tertumpu pada teknologi GaN, memperoleh GeneSiC, menjadi satu-satunya syarikat yang khusus untuk portfolio semikonduktor kuasa generasi akan datang.

Sesungguhnya, GaN dan SiC mempamerkan beberapa pertindihan dalam senario prestasi dan aplikasi. Oleh itu, adalah penting untuk menilai potensi aplikasi kedua-dua bahan ini dari perspektif sistem. Walaupun pengeluar yang berbeza mungkin mempunyai pandangan mereka sendiri semasa proses R&D, adalah penting untuk menilai mereka secara menyeluruh daripada pelbagai aspek, termasuk trend pembangunan, kos bahan, prestasi dan peluang reka bentuk.

Apakah Trend Utama dalam Industri Elektronik Kuasa yang Ditemui GaN?

Jim Witham, Ketua Pegawai Eksekutif GaN Systems, tidak memilih untuk berundur seperti eksekutif lain syarikat yang diambil alih; sebaliknya, dia terus membuat penampilan umum dengan kerap. Baru-baru ini, dalam ucapannya, beliau menekankan kepentingan semikonduktor kuasa GaN, sambil menyatakan bahawa teknologi ini akan membantu pereka dan pengilang sistem kuasa menangani tiga trend utama yang sedang mengubah industri elektronik kuasa, dengan GaN memainkan peranan penting dalam setiap aliran.

Ketua Pegawai Eksekutif GaN Systems Jim Witham

Pertama, isu kecekapan tenaga. Diramalkan bahawa permintaan tenaga global akan melonjak lebih 50% menjelang 2050, menjadikannya penting untuk mengoptimumkan kecekapan tenaga dan mempercepatkan peralihan kepada tenaga boleh diperbaharui. Peralihan semasa bukan sahaja memberi tumpuan kepada kecekapan tenaga tetapi juga meluas kepada aspek yang lebih mencabar seperti kebebasan tenaga dan penyepaduan dengan grid kuasa arus perdana. Teknologi GaN menawarkan kelebihan penjimatan tenaga yang ketara dalam aplikasi tenaga dan storan. Sebagai contoh, mikroinverter solar menggunakan GaN boleh menjana lebih banyak elektrik; Aplikasi GaN dalam penukaran AC-DC dan penyongsang boleh mengurangkan pembaziran tenaga dalam sistem storan bateri sehingga 50%.

Kedua, proses elektrifikasi khususnya dalam sektor pengangkutan. Kenderaan elektrik sentiasa menjadi tumpuan trend ini. Walau bagaimanapun, elektrifikasi berkembang kepada pengangkutan dua roda dan tiga roda (seperti basikal, motosikal, dan beca) di kawasan bandar yang padat penduduk, terutamanya di Asia. Apabila pasaran ini matang, kelebihan transistor kuasa GaN akan menjadi lebih menonjol, dan GaN akan memainkan peranan penting dalam meningkatkan kualiti hidup dan perlindungan alam sekitar.

Akhir sekali, dunia digital sedang mengalami perubahan besar-besaran untuk memenuhi permintaan data masa nyata dan perkembangan pesat kecerdasan buatan (AI). Penukaran kuasa semasa dan teknologi pengedaran di pusat data tidak dapat bersaing dengan permintaan yang semakin meningkat yang dibawa oleh pengkomputeran awan dan pembelajaran mesin, terutamanya aplikasi AI yang haus kuasa. Dengan mencapai penjimatan tenaga, mengurangkan keperluan penyejukan dan meningkatkan keberkesanan kos, teknologi GaN membentuk semula landskap bekalan kuasa pusat data. Gabungan teknologi AI generatif dan GaN akan mewujudkan masa depan yang lebih cekap, mampan dan teguh untuk pusat data.

Sebagai peneraju perniagaan dan penyokong alam sekitar yang teguh, Jim Witham percaya bahawa kemajuan pesat teknologi GaN akan memberi kesan ketara kepada pelbagai industri yang bergantung kepada kuasa dan mempunyai implikasi yang mendalam terhadap ekonomi global. Beliau juga bersetuju dengan ramalan pasaran bahawa pendapatan semikonduktor kuasa GaN akan mencapai $6 bilion dalam tempoh lima tahun akan datang, dengan menyatakan bahawa teknologi GaN menawarkan kelebihan dan peluang unik dalam persaingan dengan SiC.

Bagaimanakah GaN Berbanding dengan SiC dari segi Daya Saing?

Pada masa lalu, terdapat beberapa salah tanggapan tentang semikonduktor kuasa GaN, dengan ramai yang percaya ia lebih sesuai untuk mengecas aplikasi dalam elektronik pengguna. Walau bagaimanapun, perbezaan utama antara GaN dan SiC terletak pada aplikasi julat voltan mereka. GaN berprestasi lebih baik dalam aplikasi voltan rendah dan sederhana, manakala SiC digunakan terutamanya untuk aplikasi voltan tinggi melebihi 1200V. Namun begitu, pilihan antara kedua-dua bahan ini melibatkan mempertimbangkan faktor voltan, prestasi dan kos.

Sebagai contoh, pada pameran PCIM Eropah 2023, GaN Systems mempamerkan penyelesaian GaN yang menunjukkan kemajuan ketara dalam ketumpatan kuasa dan kecekapan. Berbanding dengan reka bentuk transistor SiC, pengecas onboard 11kW/800V berasaskan GaN (OBC) mencapai peningkatan 36% dalam ketumpatan kuasa dan pengurangan 15% dalam kos bahan. Reka bentuk ini juga menyepadukan topologi kapasitor terbang tiga peringkat dalam konfigurasi PFC totem-tiang tanpa jambatan dan teknologi jambatan dwi aktif, mengurangkan tekanan voltan sebanyak 50% menggunakan transistor GaN.

Dalam tiga aplikasi utama kenderaan elektrik—pengecas atas kapal (OBC), penukar DC-DC dan penyongsang daya tarikan—GaN Systems telah bekerjasama dengan Toyota untuk membangunkan prototaip kereta semua-GaN, menyediakan penyelesaian OBC sedia pengeluaran untuk permulaan EV Amerika. Canoo, dan bekerjasama dengan Vitesco Technologies untuk membangunkan penukar GaN DC-DC untuk sistem kuasa 400V dan 800V EV, menawarkan lebih banyak pilihan untuk pembuat kereta.

Jim Witham percaya bahawa pelanggan yang kini bergantung pada SiC berkemungkinan akan beralih kepada GaN dengan cepat atas dua sebab: ketersediaan terhad dan kos bahan yang tinggi. Apabila permintaan kuasa meningkat merentas pelbagai industri, daripada pusat data kepada automotif, peralihan awal kepada teknologi GaN akan membolehkan perusahaan ini memendekkan masa yang diperlukan untuk mengejar pesaing pada masa hadapan.

Dari perspektif rantaian bekalan, SiC lebih mahal dan menghadapi kekangan bekalan berbanding GaN. Memandangkan GaN dihasilkan pada wafer silikon, harganya menurun dengan cepat dengan peningkatan permintaan pasaran, dan harga dan daya saing masa depan boleh diramalkan dengan lebih tepat. Sebaliknya, bilangan pembekal SiC yang terhad dan masa pendahuluan yang panjang, biasanya sehingga setahun, boleh meningkatkan kos dan memberi kesan kepada permintaan untuk pembuatan automotif selepas 2025.

Dari segi kebolehskalaan, GaN hampir berskala "tak terhingga" kerana ia boleh dihasilkan pada wafer silikon menggunakan peralatan yang sama seperti berbilion peranti CMOS. GaN tidak lama lagi boleh dihasilkan pada wafer 8 inci, 12 inci dan juga 15 inci, manakala MOSFET SiC biasanya dihasilkan pada wafer 4 inci atau 6 inci dan baru mula beralih kepada wafer 8 inci.

Dari segi prestasi teknikal, GaN kini merupakan peranti pensuisan kuasa terpantas di dunia, menawarkan ketumpatan kuasa dan kecekapan output yang lebih tinggi daripada peranti semikonduktor lain. Ini membawa faedah yang ketara kepada pengguna dan perniagaan, sama ada dalam saiz peranti yang lebih kecil, kelajuan pengecasan yang lebih pantas atau pengurangan kos penyejukan dan penggunaan tenaga untuk pusat data. GaN mempamerkan kelebihan yang sangat besar.

Sistem yang dibina dengan GaN menunjukkan ketumpatan kuasa yang jauh lebih tinggi berbanding dengan SiC. Apabila penggunaan GaN merebak, produk sistem kuasa baharu dengan saiz yang lebih kecil terus muncul, manakala SiC tidak dapat mencapai tahap pengecilan yang sama. Menurut GaN Systems, prestasi peranti generasi pertama mereka telah pun mengatasi peranti semikonduktor SiC generasi kelima terkini. Memandangkan prestasi GaN bertambah baik sebanyak 5 hingga 10 kali dalam jangka pendek, jurang prestasi ini dijangka akan melebar.

Selain itu, peranti GaN mempunyai kelebihan ketara seperti pengecasan get rendah, pemulihan terbalik sifar, dan kapasitans keluaran rata, membolehkan prestasi pensuisan berkualiti tinggi. Dalam aplikasi voltan pertengahan hingga rendah di bawah 1200V, kehilangan pensuisan GaN sekurang-kurangnya tiga kali lebih rendah daripada SiC. Dari perspektif frekuensi, kebanyakan reka bentuk berasaskan silikon kini beroperasi antara 60kHz dan 300kHz. Walaupun SiC telah bertambah baik dalam kekerapan, peningkatan GaN lebih ketara, mencapai 500kHz dan frekuensi yang lebih tinggi.

Memandangkan SiC biasanya digunakan untuk voltan 1200V dan lebih tinggi dengan hanya beberapa produk yang sesuai untuk 650V, aplikasinya terhad dalam reka bentuk tertentu, seperti elektronik pengguna 30-40V, kenderaan hibrid 48V dan pusat data, yang kesemuanya merupakan pasaran penting. Oleh itu, peranan SiC dalam pasaran ini adalah terhad. GaN, sebaliknya, cemerlang dalam tahap voltan ini, memberikan sumbangan besar dalam pusat data, elektronik pengguna, tenaga boleh diperbaharui, automotif dan sektor perindustrian.

Untuk membantu jurutera memahami dengan lebih baik perbezaan prestasi antara GaN FET (Transistor Kesan Medan) dan SiC, GaN Systems mereka bentuk dua bekalan kuasa 650V, 15A masing-masing menggunakan SiC dan GaN, dan menjalankan ujian perbandingan terperinci.

GaN vs SiC Perbandingan Head-to-head

Dengan membandingkan GaN E-HEMT (Transistor Mobiliti Elektron Tinggi Dipertingkat) dengan MOSFET SiC terbaik dalam kelas dalam aplikasi pensuisan berkelajuan tinggi, didapati bahawa apabila digunakan dalam penukar DC-DC buck segerak, penukar dengan GaN E- HEMT mempamerkan kecekapan yang lebih tinggi daripada yang mempunyai SiC MOSFET. Perbandingan ini jelas menunjukkan bahawa GaN E-HEMT mengatasi MOSFET SiC teratas dalam metrik utama seperti kelajuan pensuisan, kemuatan parasit, kehilangan pensuisan dan prestasi terma. Selain itu, berbanding dengan SiC, GaN E-HEMT menunjukkan kelebihan ketara dalam mencapai reka bentuk penukar kuasa yang lebih padat dan cekap.

Mengapa GaN Berpotensi Mengungguli SiC Dalam Keadaan Tertentu?

Hari ini, teknologi silikon tradisional telah mencapai hadnya dan tidak dapat menawarkan banyak kelebihan yang dimiliki oleh GaN, manakala aplikasi SiC dihadkan kepada senario penggunaan tertentu. Istilah "di bawah syarat tertentu" merujuk kepada batasan bahan ini dalam aplikasi tertentu. Dalam dunia yang semakin bergantung kepada elektrik, GaN bukan sahaja menambah baik bekalan produk sedia ada tetapi juga mencipta penyelesaian inovatif yang membantu perniagaan kekal berdaya saing.

Memandangkan semikonduktor kuasa GaN beralih daripada penggunaan awal kepada pengeluaran besar-besaran, tugas utama bagi pembuat keputusan perniagaan adalah untuk mengiktiraf bahawa semikonduktor kuasa GaN boleh menawarkan tahap prestasi keseluruhan yang lebih tinggi. Ini bukan sahaja membantu pelanggan meningkatkan bahagian pasaran dan keuntungan tetapi juga mengurangkan kos operasi dan perbelanjaan modal dengan berkesan.

Pada September tahun ini, Infineon dan GaN Systems bersama-sama melancarkan platform Gallium Nitride generasi keempat baharu (Gen 4 GaN Power Platform). Daripada bekalan kuasa pelayan AI 3.2kW pada tahun 2022 kepada platform generasi keempat semasa, kecekapannya bukan sahaja mengatasi standard kecekapan 80 Plus Titanium, tetapi ketumpatan kuasanya juga telah meningkat daripada 100W/in³ kepada 120W/in³. Platform ini bukan sahaja menetapkan penanda aras baharu dalam kecekapan dan saiz tenaga tetapi juga menawarkan prestasi unggul yang ketara.

Ringkasnya, sama ada syarikat SiC yang memperoleh syarikat GaN atau syarikat GaN yang memperoleh syarikat SiC, motivasi asas adalah untuk mengembangkan pasaran dan bidang aplikasi mereka. Lagipun, GaN dan SiC kedua-duanya tergolong dalam bahan jurang jalur lebar (WBG), dan bahan semikonduktor generasi keempat masa hadapan seperti Gallium Oxide (Ga2O3) dan Antimonides akan muncul secara beransur-ansur, mewujudkan ekosistem teknologi yang pelbagai. Oleh itu, bahan-bahan ini tidak menggantikan satu sama lain tetapi secara kolektif memacu pertumbuhan industri.**