SiC i GaN: rynkowe aspekty wyboru

Elektronicy pracujący nad aplikacjami wymagającymi wysokiego napięcia muszą często zadecydować, czy użyć technologii azotku galu (GaN) czy węglika krzemu (SiC). Produkty te to półprzewodniki szerokopasmowe (wide-bandgap, WBG), które oferują kilka zalet w porównaniu z odpowiednikami krzemowymi, w tym wyższą wydajność, większą gęstość mocy i szybsze przełączanie. Mogą również obsługiwać wyższe napięcia, częstotliwości i temperatury.

Półprzewodniki mocy tworzone na bazie GaN i SiC znajdują zastosowanie w pojazdach elektrycznych, w serwerowniach, w odnawialnych źródłach energii czy aplikacjach telekomunikacyjnych. Jakie kluczowe czynniki muszą wziąć pod uwagę inżynierowie, oceniając półprzewodnik WBG pod kątem opracowywanych aplikacji?

Kryterium aplikacji

Konstruktorzy muszą wziąć pod uwagę same aplikacje i wynikające z niej kluczowe wymagania użytkowników. Niedawny raport Yole Group Power electronics industry: facing rapid expansion in manufacturing capacity podkreślił niektóre trendy rynkowe, które mogą mieć wpływ na to, czy inżynierowie wykorzystają urządzenia mocy SiC czy GaN. Warto między innymi zauważyć, iż wiele chińskich firm planuje zwiększyć produkcję SiC w nadchodzących latach. Z kolei komponenty GaN są coraz częściej stosowane w elektronice użytkowej i produktach przenośnych. Według Yole Group, wysoki popyt na obie kategorie komponentów sprawi, że globalny rynek elektroniki mocy będzie wart 35,7 mld USD w 2029 roku.

Również inne trendy w szeroko pojętej branży elektroniki generują potrzebę nowych rozwiązań w zakresie zasilania. Na przykład coraz więcej klientów wymaga zminiaturyzowanych i zintegrowanych transformatorów przełączających do wytwarzania energii. Transformatory przełączające o wysokiej częstotliwości często zawierają półprzewodniki WBG. Te komponenty przetwarzają moc wydajniej i oferują zgodność z szerszym zakresem częstotliwości roboczych niż ich krzemowe odpowiedniki.

Rośnie również zainteresowanie mniejszymi, wysokowydajnymi transformatorami, które stały się bardziej dostępne dzięki postępom technologii materiałowej. Wszystkie transformatory mają uzwojenia pierwotne i wtórne wykonane z splotu miedzianego. Pola magnetyczne tych komponentów tworzą ruch niezbędny do zamknięcia obwodu. Obecnie, aby sprostać współczesnym potrzebom, coraz częściej transformatory mają uzwojenia wysokotemperaturowe, a półprzewodniki SiC i GaN są niezbędne dla dalszego postępu tego typu konstrukcji.

Monitorowanie obecnego stanu branży i pojawiających się trendów może pomóc inżynierom elektroniki w wyborze opcji, które spełnią oczekiwania klientów i pozycjonują ich firmy jako innowacyjne i reagujące na zapotrzebowanie przemysłu.

Dostępność

Czy masz kontakt z producentem lub dystrybutorem komponentów, który może natychmiast realizować zamówienia na produkty SiC lub GaN? Jeśli tak, to fakt ten może pomóc inżynierom w podjęciu decyzji, które opcje będą odpowiednie dla ich nadchodzących projektów.

Krzem wciąż jest najczęściej używanym materiałem, co sprawia, że ​​jest bardzo poszukiwany. Półprzewodniki SiC stały się więc popularną alternatywą dla odpowiedników krzemowych w czasie utrzymujących się niedoborów bardziej tradycyjnych półprzewodników krzemowych. Wiele firm zaczęło stosować tranzystory MOSFET SiC w pojazdach elektrycznych, co zwiększyło popyt na produkty SiC, a kilku producentów ogłosiło plany rozbudowy swoich zakładów w celu zaspokojenia dodatkowego popytu.

Na przykład onsemi swój program inwestycyjny, obejmujący między innymi rozwój pionowo zintegrowanego zakładu produkcyjnego SiC w Czechach. Infineon Technologies otworzył zakład produkcji 200-milimetrowych SiC w Kulim w Malezji a Renesas Electronics uruchomił nową linię produkcyjną SiC w fabryce Takasaki. Wszystkie te firmy są bardzo dobrze reprezentowane w Polsce. Według TrendForce, STMicroelectronics, onsemi, Infineon, Wolfspeed, Rohm, Bosch, Fuji Electric, Mitsubishi Electric, Vanguard International Semiconductor i EPISIL, Silan Microelectronics i UNT ogłosiły plany budowy własnych fabryk chipów SiC.

Kilku znanych producentów półprzewodników rozszerza też zdolności produkcyjne GaN. Texas Instruments już rozpoczęło produkcję produktów GaN w swojej fabryce Aizu w Japonii. Poprzez inwestycje w fabryki w Dallas i Japonii, TI czterokrotnie zwiększy swoje wewnętrzne zdolności produkcyjne GaN. Unikalny proces TI obejmuje ponad 80 milionów godzin testów niezawodności, co może być istotne dla inżynierów elektroników pracujących nad aplikacjami krytycznymi. Rozważając kwestie dotyczące tego, czy wybrać SiC lub GaN, dostępność łańcucha dostaw powinna mieć kluczowe znaczenie, tak aby zapobiec opóźnieniom, które mogłyby mieć później negatywny wpływ na dostępność produktów w sprzedaży.

Infineon również rozwija portfolio GaN, opracowując pierwszą technologię 300-mm GaN power wafer. Firma twierdzi, że ​​jako pierwsza opanowała tę technologię w istniejącym i skalowalnym środowisku produkcyjnym, dostosowanym do produkcji wielkoskalowej. W porównaniu z płytkami 200-mm, produkcja na płytkach krzemowych 300-mm oferuje 2,3× większy uzysk komponentów z pojedynczej płytki.

Rozwój branży

Postęp w sektorze elektroniki może pomóc inżynierom elektroniki zdecydować, czy używać komponentów SiC czy GaN. Wielu producentów półprzewodników WBG opracowało projekty referencyjne i zestawy deweloperskie, aby pomóc rozpowszechnianiu się WBG. Na przykład GaN Systems, przejęty przez Infineon, opracował projekt referencyjny pokładowej ładowarki EV opartej na GaN. Firma stwierdziła, że ​​oferuje ona o 36% większą gęstość mocy niż tranzystory SiC. Co warto podkreślić, BOM takiej konstrukcji jest o 15% niższy w porównaniu do konstrukcji opartej na tradycyjnych rozwiązaniach. Navitas Semiconductor, firma specjalizująca się w WBG, przedstawiła zasilacz o mocy 8,5 kW dla centrów danych AI, wykorzystujący układy scalone GaNSafe o dużej mocy i tranzystory MOSFET Gen-3 Fast SiC. Tranzystory MOSFET Gen-3 Fast zapewniają wysoką wydajność przy dużej prędkości, umożliwiając nawet 3-krotnie dłuższą żywotność niż produkty SiC od konkurentów.

Czy ważniejsze jest, aby komponenty były łatwo dostępne, czy też aby już obecnie były szeroko stosowane w danej aplikacji? Określenie tych priorytetów pozwala inżynierom wybrać odpowiednie komponenty do swoich aplikacji.

Żródła:

SiC vs. GaN: Who wins?

Power electronics industry: facing rapid expansion in manufacturing capacity

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!

Zdjęcie tytułowe: Infineon