Infineon o przyszłości GaN

GaN zapewnia znaczące korzyści w zakresie zasilania, umożliwiając wydajną pracę, mniejszy rozmiar, mniejszą wagę i niższy całkowity koszt. Podczas gdy jednymi z pierwszych aplikacji były ładowarki i adaptery USB-C, GaN jest teraz na dobrej drodze do osiągnięcia pełnej implementacji w kolejnych branżach, stających się istotnym czynnikiem, napędzającym cały rynek półprzewodników mocy.

Jednak szeroka adopcja GaN jest ściśle związana z jego przystępną ceną. Spodziewane w ciągu najbliższych kilku lat szerokie zastosowanie w wielkowolumenwych branżach (AGD, motoryzacja) spowoduje, iż cena GaN zbliży się do ceny krzemu. Rynek GaN odnotował wzrost z zaledwie 45,8 mln USD w 2020 r. do 407,2 mln USD w 2025 r., co stanowi 889-procentowy wzrost w ciągu zaledwie pięciu lat. Aby sprostać wyzwaniom związanym z kosztami i skalowalnością, Infineon realizuje inwestycje w badania i rozwój GaN, w tym innowacyjną produkcję płytek GaN o średnicy 300 mm i tranzystorów z dwukierunkowym przełącznikiem (bidirectional switch, BDS), firma umacnia swoją wiodącą rolę w promowaniu dekarbonizacji i digitalizacji w oparciu o wszystkie istotne materiały półprzewodnikowe, w tym azotek galu.

Telekomunikacja i infrastruktura / Centra danych AI

Zasilanie AI będzie w dużym stopniu uzależnione od GaN. Szybki wzrost wymaganej mocy obliczeniowej i zapotrzebowania na energię w centrach danych AI wymaga zastosowania zaawansowanych rozwiązań, zdolnych do obsługi wysokich obciążeń, związanych z serwerami AI. Zasilacze, które kiedyś obsługiwały 3,3 kW, ewoluują teraz w kierunku 5,5 kW, a prognozy zmierzają w kierunku 12 kW lub więcej. Wykorzystując GaN, centra danych AI mogą zwiększyć gęstość mocy obliczeniowej, jaką można dostarczyć w danej przestrzeni szafy. Wdrożenie sieci 5G wiąże się ze znacznymi wyzwaniami w zakresie zasilania, szczególnie w przypadku stacji bazowych. Ze względu na konieczność obsługi wykładniczo większych pojemności danych i zapewnienia bezproblemowej łączności, stacje te wymagają zaawansowanych rozwiązań zasilania, zdolnych do wydajnego zarządzania dużymi obciążeniami. GaN jest bardzo dobrze predysponowanym materiałem, aby sprostać tym wymaganiom. Jego wysoka wydajność, doskonałe rozpraszanie ciepła i zdolność do pracy przy wyższych gęstościach mocy sprawiają, że idealnie nadaje się do nowoczesnych stacji bazowych 5G. Wraz z rozwojem sieci i wzrostem pojemności danych, rola GaN w zasilaniu tych systemów staje się coraz ważniejsza. Mariaż się AI i telekomunikacji stanowi więc ważny czynnik stymulujący wzrost popularności GaN: jest on bardzo dobrze dostosowany do potrzeb najnowszych architektur centrów danych AI ze względu na swoją wydajność i kompaktowy współczynnik kształtu.

Wykorzystując GaN w aplikacjach konwersji energii, centra danych mogą poprawić gęstość mocy, bezpośrednio wpływając na ilość mocy obliczeniowej dostarczanej w danej przestrzeni szafy. Tradycyjne zasilacze z komponentami krzemowymi mają ograniczenia, jeśli chodzi o minimalizację strat energii i generowanie ciepła, szczególnie przy wyższych poziomach mocy. GaN umożliwia jednak znaczny wzrost wydajności, zmniejszając zarówno straty energii, jak i wymagania dotyczące chłodzenia w centrach danych. Podczas gdy GaN oferuje wyraźne zalety, hybrydowe architektury łączące GaN z krzemem i węglikiem krzemu (SiC) oferują zrównoważone podejście do zaspokajania różnych potrzeb w centrach danych AI. Na przykład hybrydowy zasilacz może wykorzystywać krzem do korekcji współczynnika mocy (power factor correction, PFC), węglik krzemu w określonych obwodach o wysokim naprężeniu i GaN w topologiach LLC w celu maksymalizacji gęstości mocy i optymalizacji wydajności w różnych segmentach szerszej architektury zasilania. To modułowe podejście pozwala na wykorzystanie każdej technologii tam, gdzie się sprawdza, tworząc synergistyczny system, który maksymalizuje wydajność i gęstość mocy.

Robotyka

Również i robotyka będzie powszechnie stosować GaN, wykorzystując możliwości tworzenia kompaktowych konstrukcji, co jest szczególnie ważne przy opracowywaniu dronów dostawczych, robotów opiekuńczych i robotów humanoidalnych. Ponieważ technologia robotyki wykorzystuje AI w takich funkcjach jak przetwarzanie języka naturalnego i widzenie komputerowe, GaN zapewni wydajność wymaganą dla kompaktowych, wysokowydajnych projektów.

Silniki oparte na GaN zapewniają doskonałą wydajność i efektywność, zwiększoną gęstość mocy i mniejsze straty silnika, a także szybkie przełączanie. Właściwości te zapewniają szereg korzyści, takich jak eliminacja dużych kondensatorów elektrolitycznych, zmniejszenie rozmiaru układu i jego wyższą niezawodność. Zintegrowanie falowników w obudowie silnika eliminuje konieczność stosowania radiatora, jednocześnie zmniejszając ilość okablowania, wymaganego dla każdego stawu/osi, a w efekcie upraszczając też konstrukcję pod względem EMC. Wyższa częstotliwość sterowania poprawia ponadto reakcję dynamiczną. Projekty sterowania silnikiem oparte na GaN z wysokimi częstotliwościami przełączania umożliwiają również uzyskanie większej mocy w kompaktowych, uszczelnionych obudowach. W przypadku robotyki GaN zapewnia doskonałą wydajność przy wysokich częstotliwościach, dodatkowo poprawia wydajność systemu (straty falownika i silnika) i zapewnia niższe temperatury robocze.

Adaptery i ładowarki USB-C

Adaptery i ładowarki USB-C oparte o GaN będą dominować na rynku, oferując kompaktowe rozwiązania o dużej wydajności, jednocześnie wyznaczając nowe standardy w zakresie efektywności energetycznej i zrównoważonego rozwoju środowiska.

GaN umożliwił znaczną redukcję rozmiaru ładowarek USB-C, jednocześnie zwiększając ich moc wyjściową. Wiodące marki, takie jak Apple, Samsung, Dell, HP, Razer, Asus, Anker i wiele innych, szeroko stosują już technologię GaN, oferując kompaktowe ładowarki o mocy do 300W. GaN stał się ponadto kluczowym elementem marki produktu, czego wyrazem jest oznakowanie produktu ‘zasilane GaN’, stosowane przez czołowe marki konsumenckie. Ładowarki GaN, dzięki swojej wyższej wydajności i lepszemu profilowi termicznemu, wyznaczają nowe standardy szybkiego ładowania. Oczekuje się, że do 2030 r. zastosowania konsumenckie, w tym szybkie ładowarki, będą napędzać ponad 52 procent całkowitego rynku urządzeń Power GaN.

Powszechna adopcja GaN podkreśla rosnące znaczenie tego materiału w promowaniu dekarbonizacji i digitalizacji. Ładowarki GaN są nie tylko bardziej wydajne, ale także bardzie przyjazne dla środowiska. Ich mniejszy rozmiar zmniejsza zasoby potrzebne do produkcji, pakowania i recyklingu, przyczyniając się do mniejszego śladu środowiskowego.

Urządzenia AGD

Wraz z rosnącą potrzebą uzyskiwania wyższych ocen efektywności energetycznej, zmniejszonego zużycia energii i obniżonych kosztów systemu, oczekuje się, że GaN zyska znaczną popularność na rynku sprzętu AGD.

W miarę rozwoju rynku sprzętu AGD, implementacja technologii GaN prawdopodobnie odegra kluczową rolę w napędzaniu innowacji i zmniejszeniu zużycia energii, co stanowi pozytywny wkład w dekarbonizację. Konstrukcja inwertera, zoptymalizowana pod kątem GaN, może również skorzystać na zmniejszonych zakłóceniach elektromagnetycznych (EMI). Zastosowanie GaN zmniejsza efekty pasożytnicze, takie jak odwrotne ładowanie zwrotne. Ponadto inwertery oparte na GaN przełączają się szybciej, umożliwiając małym silnikom o wysokiej indukcyjności pracę z większą prędkością. Zmniejsza to potrzebę stosowania złożonych systemów transmisyjnych w niektórych urządzeniach AGD, co pozwala na obniżenie kosztów. Ponadto, umożliwia to opracowywanie bardziej kompaktowych napędów silników i pomaga obniżyć słyszalny hałas silnika. Kolejną korzyścią jest to, że inwerter wymaga mniej ciepła do rozproszenia, co pozwala inżynierom wyeliminować potrzebę stosowania radiatorów. Radiatory, zwykle wykonane z aluminium, są duże i wymagają ręcznego montażu podczas produkcji. Później, podczas pracy w środowiskach o wysokiej wilgotności, radiatory stają się przyczyną awarii z powodu kondensacji, co zmniejsza niezawodność całego urządzenia. Eliminując radiatory, producenci mogą zaoszczędzić szacunkowo 3 USD na każdym systemie. Te oszczędności kosztów w połączeniu z ulepszoną wydajnością, efektywnością i niezawodnością inwerterów opartych na GaN przy wyższej gęstości mocy sprawiają, że rozwiązania oparte na GaN są atrakcyjną alternatywą dla nowoczesnych projektów urządzeń gospodarstwa domowego.

Systemy solarne i magazynowania energii (ESS)

Wykorzystanie urządzeń GaN w mikroinwerterach słonecznych oferuje kilka korzyści. Jedną ze znaczących zalet jest ich zdolność do obsługi wyższych poziomów mocy przy zachowaniu małego współczynnika kształtu, co skutkuje kompaktowymi i wydajnymi konstrukcjami inwerterów. Ponadto, urządzenia GaN charakteryzują się szybszymi czasami przełączania, co również pomaga zwiększyć wydajność i zmniejszyć wytwarzanie ciepła. Zarówno jednokierunkowy, jak i innowacyjny, dwukierunkowy GaN odgrywają znaczącą rolę w mikroinwerterach słonecznych. Innym trendem w energetyce odnawialnej jest potrzeba ładowania i rozładowywania akumulatorów znajdujących się w domu lub pojeździe elektrycznym, określanych jako systemy V2X. Dwukierunkowe przełączniki GaN (bidirectional switches, BDS) stanowią przełom w systemach V2X, są bowiem zdolne do blokowania napięcia w obu kierunkach. BDS umożliwiają skuteczną kontrolę przepływu energii i zapewniają bezpieczną i niezawodną pracę w różnych warunkach. Eliminują ponadto potrzebę stosowania pośrednich połączeń DC, a tym samym zwiększają gęstość mocy, jednocześnie zmniejszając współczynnik kształtu i koszty. Innymi słowy, w porównaniu do instalacji tradycyjnych przełączników typu back-to-back, użycie jednego, dwukierunkowego przełącznika GaN jest nie tylko bardziej opłacalne kosztowo, ale również wymaga mniejszej powierzchni PCB.

Ponadto w falownikach hybrydowych/łańcuchowych, jedno- lub dwukierunkowe komponenty GaN umożliwiają znaczną redukcję kosztów systemu, poprawę gęstości mocy i zwiększoną wydajność. Falowniki tego typu mogą osiągać wysoką wydajność dzięki niskim stratom przełączania i idealnej wydajności cieplnej. Jest to szczególnie ważne w systemach magazynowania energii, w których falowniki hybrydowe mogą wydajnie zarządzać przepływem energii między siecią, systemem magazynowania energii i odbiorcą, umożliwiając niezawodne i wydajne zasilanie.

W systemach optymalizujących parametry pracy paneli fotowoltaicznych (PV), GaN ponownie przynosi omawiane wcześniej wymienione korzyści w zakresie gęstości mocy i wydajności. Innym aspektem, który jest kluczowy dla systemów optymalizujących, jest wydajność cieplna. Urządzenia GaN mają wyższą przewodność cieplną w porównaniu do tradycyjnych urządzeń opartych na krzemie, co pozwala na bardziej wydajne rozpraszanie ciepła. Skutkuje to niższą temperaturą pracy, zmniejszając ryzyko przegrzania i zwiększając ogólną niezawodność systemu.

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