GaN e SiC: coesistenza o sostituzione?

La spinta verso una maggiore densità di potenza ed efficienza è diventata un motore primario di innovazione in diversi settori, tra cui data center, energie rinnovabili, elettronica di consumo, veicoli elettrici e tecnologie di guida autonoma. Nel campo dei materiali a banda larga (WBG), il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC) sono attualmente le due piattaforme principali, viste come strumenti cruciali che guidano l'innovazione dei semiconduttori di potenza. Questi materiali stanno trasformando profondamente il settore dell’elettronica di potenza per soddisfare la domanda sempre crescente di energia.

In effetti, anche alcune aziende leader nel settore del SiC stanno esplorando attivamente la tecnologia GaN. Nel marzo di quest’anno, Infineon ha acquisito la startup canadese GaN GaN Systems per 830 milioni di dollari in contanti. Allo stesso modo, ROHM ha recentemente presentato i suoi ultimi prodotti SiC e GaN al PCIM Asia, con particolare attenzione ai dispositivi GaN HEMT del marchio EcoGaN. Al contrario, nell’agosto 2022, Navitas Semiconductor, che originariamente si concentrava sulla tecnologia GaN, ha acquisito GeneSiC, diventando l’unica società dedicata al portafoglio di semiconduttori di potenza di prossima generazione.

In effetti, GaN e SiC mostrano alcune sovrapposizioni in termini di prestazioni e scenari applicativi. Pertanto, è fondamentale valutare il potenziale applicativo di questi due materiali da una prospettiva di sistema. Sebbene diversi produttori possano avere i propri punti di vista durante il processo di ricerca e sviluppo, è essenziale valutarli in modo completo da molteplici aspetti, tra cui tendenze di sviluppo, costi dei materiali, prestazioni e opportunità di progettazione.

Quali sono le tendenze chiave nel settore dell’elettronica di potenza che il GaN soddisfa?

Jim Witham, CEO di GaN Systems, non ha scelto di fare un passo indietro come altri dirigenti delle società acquisite; continua invece a fare frequenti apparizioni pubbliche. Recentemente, in un discorso, ha sottolineato l’importanza dei semiconduttori di potenza GaN, sottolineando che questa tecnologia aiuterà i progettisti e i produttori di sistemi di alimentazione ad affrontare tre tendenze chiave che stanno attualmente trasformando il settore dell’elettronica di potenza, dove il GaN gioca un ruolo cruciale in ciascuna tendenza.

Jim Witham, CEO di GaN Systems

Innanzitutto la questione dell’efficienza energetica. Si prevede che la domanda globale di energia aumenterà di oltre il 50% entro il 2050, rendendo imperativo ottimizzare l’efficienza energetica e accelerare la transizione verso le energie rinnovabili. L’attuale transizione non si concentra solo sull’efficienza energetica, ma si estende anche ad aspetti più impegnativi come l’indipendenza energetica e l’integrazione con la rete elettrica tradizionale. La tecnologia GaN offre notevoli vantaggi in termini di risparmio energetico nelle applicazioni energetiche e di stoccaggio. Ad esempio, i microinverter solari che utilizzano GaN possono generare più elettricità; L’applicazione del GaN nella conversione AC-DC e negli inverter può ridurre fino al 50% lo spreco di energia nei sistemi di accumulo delle batterie.

In secondo luogo, il processo di elettrificazione, in particolare nel settore dei trasporti. I veicoli elettrici sono sempre stati al centro di questa tendenza. Tuttavia, l’elettrificazione si sta espandendo ai trasporti a due e tre ruote (come biciclette, motociclette e risciò) nelle aree urbane densamente popolate, soprattutto in Asia. Con la maturazione di questi mercati, i vantaggi dei transistor di potenza GaN diventeranno più evidenti e il GaN svolgerà un ruolo cruciale nel miglioramento della qualità della vita e della protezione ambientale.

Infine, il mondo digitale sta subendo enormi cambiamenti per soddisfare la richiesta di dati in tempo reale e il rapido sviluppo dell’intelligenza artificiale (AI). Le attuali tecnologie di conversione e distribuzione dell’energia nei data center non riescono a tenere il passo con le richieste in rapida crescita portate dal cloud computing e dal machine learning, in particolare dalle applicazioni AI ad alto consumo di energia. Grazie al risparmio energetico, alla riduzione dei requisiti di raffreddamento e al miglioramento del rapporto costo-efficacia, la tecnologia GaN sta rimodellando il panorama dell'alimentazione elettrica dei data center. La combinazione di intelligenza artificiale generativa e tecnologia GaN creerà un futuro più efficiente, sostenibile e robusto per i data center.

In qualità di leader aziendale e convinto sostenitore dell’ambiente, Jim Witham ritiene che il rapido progresso della tecnologia GaN avrà un impatto significativo su vari settori dipendenti dall’energia e avrà profonde implicazioni sull’economia globale. Concorda inoltre con le previsioni del mercato secondo cui i ricavi dei semiconduttori di potenza GaN raggiungeranno i 6 miliardi di dollari entro i prossimi cinque anni, sottolineando che la tecnologia GaN offre vantaggi e opportunità unici nella concorrenza con il SiC.

Come si confronta il GaN con il SiC in termini di vantaggio competitivo?

In passato, c'erano alcune idee sbagliate sui semiconduttori di potenza GaN, poiché molti credevano che fossero più adatti per applicazioni di ricarica nell'elettronica di consumo. Tuttavia, la distinzione principale tra GaN e SiC risiede nel loro intervallo di tensione. Il GaN offre prestazioni migliori nelle applicazioni a bassa e media tensione, mentre il SiC viene utilizzato principalmente per applicazioni ad alta tensione superiori a 1200 V. Tuttavia, la scelta tra questi due materiali implica considerare fattori di tensione, prestazioni e costo.

Ad esempio, alla fiera PCIM Europe del 2023, GaN Systems ha presentato soluzioni GaN che hanno dimostrato progressi significativi in ​​termini di densità di potenza ed efficienza. Rispetto ai progetti di transistor SiC, i caricabatterie integrati (OBC) basati su GaN da 11 kW/800 V hanno ottenuto un aumento del 36% nella densità di potenza e una riduzione del 15% nei costi dei materiali. Questo progetto integra inoltre una topologia di condensatori volanti a tre livelli in una configurazione PFC totem-pole senza ponte e una tecnologia a doppio ponte attivo, riducendo lo stress di tensione del 50% utilizzando transistor GaN.

Nelle tre applicazioni chiave dei veicoli elettrici (caricabatterie di bordo (OBC), convertitori DC-DC e inverter di trazione), GaN Systems ha collaborato con Toyota per sviluppare un prototipo di auto interamente GaN e ha fornito soluzioni OBC pronte per la produzione per la startup americana di veicoli elettrici Canoo e ha collaborato con Vitesco Technologies per sviluppare convertitori CC-CC GaN per sistemi di alimentazione per veicoli elettrici da 400 V e 800 V, offrendo più scelte alle case automobilistiche.

Jim Witham ritiene che i clienti che attualmente fanno affidamento sul SiC probabilmente passeranno rapidamente al GaN per due motivi: la disponibilità limitata e il costo elevato dei materiali. Con l’aumento della domanda di energia in vari settori, dai data center all’automotive, una transizione tempestiva alla tecnologia GaN consentirà a queste imprese di ridurre il tempo necessario per raggiungere i concorrenti in futuro.

Dal punto di vista della catena di approvvigionamento, il SiC è più costoso e deve affrontare vincoli di approvvigionamento rispetto al GaN. Poiché il GaN è prodotto su wafer di silicio, il suo prezzo diminuisce rapidamente con l’aumento della domanda del mercato e il prezzo e la competitività futuri possono essere previsti con maggiore precisione. Al contrario, il numero limitato di fornitori di SiC e i lunghi tempi di consegna, in genere fino a un anno, potrebbero aumentare i costi e avere un impatto sulla domanda di produzione automobilistica oltre il 2025.

In termini di scalabilità, il GaN è scalabile quasi “infinitamente” perché può essere prodotto su wafer di silicio utilizzando la stessa attrezzatura di miliardi di dispositivi CMOS. Il GaN potrà presto essere prodotto su wafer da 8 pollici, 12 pollici e persino da 15 pollici, mentre i MOSFET SiC sono generalmente prodotti su wafer da 4 pollici o 6 pollici e stanno appena iniziando la transizione verso wafer da 8 pollici.

In termini di prestazioni tecniche, il GaN è attualmente il dispositivo di commutazione di potenza più veloce al mondo, offrendo densità di potenza ed efficienza di uscita più elevate rispetto ad altri dispositivi a semiconduttore. Ciò apporta vantaggi significativi ai consumatori e alle aziende, sia in termini di dimensioni dei dispositivi più piccole, velocità di ricarica più elevate o riduzione dei costi di raffreddamento e del consumo energetico per i data center. Il GaN presenta enormi vantaggi.

I sistemi costruiti con GaN dimostrano una densità di potenza significativamente più elevata rispetto al SiC. Con la diffusione dell’adozione del GaN, emergono continuamente nuovi prodotti per sistemi energetici di dimensioni più piccole, mentre il SiC non può raggiungere lo stesso livello di miniaturizzazione. Secondo GaN Systems, le prestazioni dei dispositivi di prima generazione hanno già superato quelle degli ultimi dispositivi a semiconduttore SiC di quinta generazione. Poiché le prestazioni del GaN migliorano da 5 a 10 volte nel breve termine, si prevede che questo divario prestazionale si allargherà.

Inoltre, i dispositivi GaN presentano vantaggi significativi come bassa carica di gate, recupero inverso zero e capacità di uscita piatta, consentendo prestazioni di commutazione di alta qualità. Nelle applicazioni a tensione medio-bassa inferiore a 1200 V, le perdite di commutazione del GaN sono almeno tre volte inferiori rispetto al SiC. Dal punto di vista della frequenza, la maggior parte dei progetti basati sul silicio attualmente funzionano tra 60kHz e 300kHz. Sebbene il SiC abbia migliorato la frequenza, i miglioramenti del GaN sono più pronunciati, raggiungendo 500kHz e frequenze più elevate.

Poiché il SiC viene generalmente utilizzato per tensioni di 1200 V e superiori con solo pochi prodotti adatti a 650 V, la sua applicazione è limitata in alcuni progetti, come l'elettronica di consumo da 30-40 V, i veicoli ibridi da 48 V e i data center, che sono tutti mercati importanti. Pertanto, il ruolo del SiC in questi mercati è limitato. Il GaN, d'altro canto, eccelle in questi livelli di tensione, apportando un contributo significativo ai data center, all'elettronica di consumo, alle energie rinnovabili, all'automotive e ai settori industriale.

Per aiutare gli ingegneri a comprendere meglio le differenze prestazionali tra i FET GaN (transistor a effetto di campo) e il SiC, GaN Systems ha progettato due alimentatori da 650 V, 15 A utilizzando rispettivamente SiC e GaN e ha condotto test comparativi dettagliati.

Confronto testa a testa tra GaN e SiC

Confrontando il GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) con il migliore MOSFET SiC della categoria in applicazioni di commutazione ad alta velocità, si è scoperto che, se utilizzato in convertitori CC-CC buck sincroni, il convertitore con GaN E-HEMT (transistor ad alta mobilità elettronica) L'HEMT ha mostrato un'efficienza molto più elevata rispetto a quella con MOSFET SiC. Questo confronto dimostra chiaramente che GaN E-HEMT supera il MOSFET SiC di punta in parametri chiave come velocità di commutazione, capacità parassita, perdite di commutazione e prestazioni termiche. Inoltre, rispetto al SiC, GaN E-HEMT mostra vantaggi significativi nel realizzare progetti di convertitori di potenza più compatti ed efficienti.

Perché il GaN potrebbe potenzialmente sovraperformare il SiC in determinate condizioni?

Oggi, la tradizionale tecnologia del silicio ha raggiunto i suoi limiti e non può offrire i numerosi vantaggi del GaN, mentre l’applicazione del SiC è limitata a scenari di utilizzo specifici. Il termine “in determinate condizioni” si riferisce alle limitazioni di questi materiali in applicazioni specifiche. In un mondo sempre più dipendente dall’elettricità, il GaN non solo migliora l’offerta di prodotti esistenti, ma crea anche soluzioni innovative che aiutano le aziende a rimanere competitive.

Mentre i semiconduttori di potenza GaN passano dall’adozione anticipata alla produzione di massa, il compito principale dei decisori aziendali è riconoscere che i semiconduttori di potenza GaN possono offrire un livello più elevato di prestazioni complessive. Ciò non solo aiuta i clienti ad aumentare la quota di mercato e la redditività, ma riduce anche efficacemente i costi operativi e le spese in conto capitale.

Nel settembre di quest'anno, Infineon e GaN Systems hanno lanciato congiuntamente una nuova piattaforma al nitruro di gallio di quarta generazione (Gen 4 GaN Power Platform). Dall'alimentatore per server AI da 3,2 kW nel 2022 all'attuale piattaforma di quarta generazione, la sua efficienza non solo supera lo standard di efficienza 80 Plus Titanium, ma anche la sua densità di potenza è aumentata da 100 W/in³ a 120 W/in³. Questa piattaforma non solo stabilisce nuovi parametri di riferimento in termini di efficienza energetica e dimensioni, ma offre anche prestazioni significativamente superiori.

In sintesi, che si tratti di società SiC che acquisiscono società GaN o di società GaN che acquisiscono società SiC, la motivazione di fondo è espandere il proprio mercato e i propri campi di applicazione. Dopotutto, GaN e SiC appartengono entrambi a materiali a banda larga (WBG), e i futuri materiali semiconduttori di quarta generazione come l’ossido di gallio (Ga2O3) e gli antimonidi emergeranno gradualmente, creando un ecosistema tecnologico diversificato. Pertanto, questi materiali non si sostituiscono a vicenda, ma piuttosto guidano collettivamente la crescita del settore.**