GaN agus SiC: Cómhaireachtáil nó Ionadaíocht?

Tá an brú ar dhlús cumhachta agus éifeachtúlacht níos airde anois ina phríomhthiománaí nuálaíochta ar fud na n-iliomad tionscail, lena n-áirítear ionaid sonraí, fuinneamh in-athnuaite, leictreonaic tomhaltóra, feithiclí leictreacha, agus teicneolaíochtaí tiomána uathrialacha. I réimse na n-ábhar bandgap leathan (WBG), is iad Gallium Nitride (GaN) agus Silicon Carbide (SiC) an dá ardán lárnacha faoi láthair, a fheictear mar uirlisí ríthábhachtacha chun nuálaíocht leathsheoltóra cumhachta a threorú. Tá na hábhair seo ag athrú go mór an tionscal leictreonaic cumhachta chun aghaidh a thabhairt ar an éileamh ar chumhacht atá ag méadú i gcónaí.

Go deimhin, tá roinnt cuideachtaí tosaigh sa tionscal SiC ag iniúchadh teicneolaíocht GaN go gníomhach freisin. I mí an Mhárta na bliana seo, fuair Infineon GaN tosaithe Cheanada GaN Systems ar $830 milliún in airgead tirim. Mar an gcéanna, léirigh ROHM a tháirgí SiC agus GaN is déanaí ag PCIM Asia, le béim ar leith ar fheistí GaN HEMT a bhranda EcoGaN. Os a choinne sin, i mí Lúnasa 2022, fuair Navitas Semiconductor, a dhírigh ar theicneolaíocht GaN ar dtús, GeneSiC, agus í mar an t-aon chuideachta atá tiomnaithe don phunann leathsheoltóra cumhachta den chéad ghlúin eile.

Go deimhin, léiríonn GaN agus SiC roinnt forluí i gcásanna feidhmíochta agus iarratais. Dá bhrí sin, tá sé ríthábhachtach cumas iarratais an dá ábhar seo a mheas ó thaobh an chórais de. Cé go bhféadfadh a ndearcadh féin a bheith ag monaróirí éagsúla le linn an phróisis T&F, tá sé riachtanach iad a mheasúnú go cuimsitheach ó ghnéithe éagsúla, lena n-áirítear treochtaí forbartha, costais ábhar, feidhmíocht agus deiseanna dearaidh.

Cad iad na Príomhthreochtaí sa Tionscal Leictreonaic Cumhachta a Chomhlíonfaidh GaN?

Níor roghnaigh Jim Witham, Príomhfheidhmeannach GaN Systems, céim siar ar nós feidhmeannaigh eile cuideachtaí faighte; ina ionad sin, leanann sé ag láithriú poiblí go minic. Le déanaí, in óráid, chuir sé béim ar an tábhacht a bhaineann le leathsheoltóirí cumhachta GaN, ag tabhairt faoi deara go gcabhróidh an teicneolaíocht seo le dearthóirí agus monaróirí córais chumhachta aghaidh a thabhairt ar thrí phríomhthreochtaí atá ag athrú an tionscail leictreonaic cumhachta faoi láthair, agus tá ról ríthábhachtach ag GaN i ngach treocht.

Príomhfheidhmeannach GaN Systems Jim Witham

Gcéad dul síos, ceist na héifeachtúlachta fuinnimh. Táthar ag tuar go dtiocfaidh ardú níos mó ná 50% ar an éileamh cumhachta domhanda faoi 2050, rud a fhágann go bhfuil sé ríthábhachtach an éifeachtúlacht fuinnimh a bharrfheabhsú agus an t-aistriú go fuinneamh in-athnuaite a luathú. Díríonn an t-aistriú reatha ní hamháin ar éifeachtúlacht fuinnimh ach leathnaíonn sé freisin go gnéithe níos dúshlánaí amhail neamhspleáchas fuinnimh agus comhtháthú leis an eangach cumhachta príomhshrutha. Tugann teicneolaíocht GaN buntáistí suntasacha coigilte fuinnimh in iarratais fuinnimh agus stórála. Mar shampla, is féidir le microinverters gréine a úsáideann GaN níos mó leictreachais a ghiniúint; Féadfaidh feidhm GaN i dtiontú AC-DC agus inverters cur amú fuinnimh i gcórais stórála ceallraí a laghdú suas le 50%.

Ar an dara dul síos, an próiseas leictriúcháin, go háirithe san earnáil iompair. Bhí feithiclí leictreacha mar fhócas an treocht seo i gcónaí. Mar sin féin, tá leictriú ag leathnú go dtí iompar dhá roth agus trí roth (cosúil le rothair, gluaisrothair, agus rickshaw) i gceantair uirbeacha dlúthdhaonra, go háirithe san Áise. De réir mar a aibíonn na margaí seo, beidh na buntáistí a bhaineann le trasraitheoirí cumhachta GaN níos suntasaí, agus beidh ról ríthábhachtach ag GaN maidir le cáilíocht na beatha agus cosaint an chomhshaoil ​​a fheabhsú.

Mar fhocal scoir, tá athruithe ollmhóra á ndéanamh ar an domhan digiteach chun freastal ar éilimh sonraí fíor-ama agus forbairt tapa na hintleachta saorga (AI). Ní féidir le teicneolaíochtaí comhshó cumhachta agus dáileacháin reatha in ionaid sonraí coinneáil suas leis na héilimh atá ag méadú go tapa ó néalríomhaireacht agus foghlaim meaisín, go háirithe feidhmchláir AI a bhfuil ocras cumhachta orthu. Trí choigilteas fuinnimh a bhaint amach, riachtanais fuaraithe a laghdú, agus éifeachtúlacht costais a fheabhsú, tá teicneolaíocht GaN ag athmhúnlú tírdhreach soláthair cumhachta na n-ionad sonraí. Cruthóidh an meascán de theicneolaíocht ghiniúna AI agus GaN todhchaí níos éifeachtaí, níos inbhuanaithe agus níos láidre d’ionaid sonraí.

Mar cheannaire gnó agus mar thacadóir comhshaoil ​​daingean, creideann Jim Witham go mbeidh tionchar suntasach ag dul chun cinn tapa na teicneolaíochta GaN ar thionscail éagsúla a bhraitheann ar chumhacht agus go mbeidh impleachtaí móra aige ar an ngeilleagar domhanda. Aontaíonn sé freisin le tuar an mhargaidh go sroichfidh ioncam leathsheoltóra GaN power $6 billiún laistigh de na cúig bliana amach romhainn, ag tabhairt faoi deara go dtugann teicneolaíocht GaN buntáistí agus deiseanna uathúla sa chomórtas le SiC.

Conas a chuirtear GaN i gcomparáid le SiC i dtéarmaí Imeall Iomaíoch?

San am atá caite, bhí roinnt míthuiscintí ann maidir le leathsheoltóirí cumhachta GaN, agus chreid go leor go raibh siad níos oiriúnaí chun iarratais a mhuirearú i leictreonaice tomhaltóra. Mar sin féin, luíonn an príomh-idirdhealú idir GaN agus SiC ina bhfeidhmchláir raon voltais. Feidhmíonn GaN níos fearr in iarratais ísealvoltais agus meánmhéide, agus úsáidtear SiC go príomha le haghaidh iarratais ardvoltais os cionn 1200V. Mar sin féin, is éard atá i gceist leis an rogha idir an dá ábhar seo fachtóirí voltais, feidhmíochta agus costais a mheas.

Mar shampla, ag taispeántas PCIM Europe 2023, thaispeáin GaN Systems réitigh GaN a léirigh dul chun cinn suntasach maidir le dlús cumhachta agus éifeachtúlacht. I gcomparáid le dearaí trasraitheora SiC, bhain luchtairí ar bord 11kW/800V bunaithe ar GaN (OBC) méadú 36% ar dhlús cumhachta agus laghdú 15% ar chostais ábhair. Comhtháthaíonn an dearadh seo topology toilleora eitilte trí leibhéal freisin i gcumraíocht PFC totem-cuaille gan droichead agus teicneolaíocht droichead déghníomhach, ag laghdú strus voltais 50% ag baint úsáide as trasraitheoirí GaN.

Sna trí phríomhfheidhm a bhaineann le feithiclí leictreacha - luchtairí ar bord (OBC), tiontairí DC-DC, agus inverters tarraingthe - tá GaN Systems tar éis comhoibriú le Toyota chun fréamhshamhail cairr uile-GaN a fhorbairt, ar choinníoll go bhfuil réitigh OBC réidh le táirgeadh do ghnó tosaithe Mheiriceá EV. Canoo, agus chuaigh sé i gcomhpháirtíocht le Vitesco Technologies chun tiontairí GaN DC-DC a fhorbairt do chórais chumhachta 400V agus 800V EV, ag tairiscint níos mó roghanna d'uathoibritheoirí.

Creideann Jim Witham gur dócha go n-aistreoidh custaiméirí atá ag brath ar SiC faoi láthair go GaN go tapa ar dhá chúis: infhaighteacht theoranta agus ardchostas ábhar. De réir mar a mhéadaíonn éilimh chumhachta ar fud na dtionscal éagsúla, ó ionaid sonraí go feithicleach, cuirfidh aistriú luath go teicneolaíocht GaN ar chumas na bhfiontar seo an t-am a theastaíonn chun teacht suas le hiomaitheoirí sa todhchaí a ghiorrú.

Ó thaobh an tslabhra soláthair de, tá SiC níos costasaí agus tá srianta soláthair os a gcomhair i gcomparáid le GaN. Ós rud é go dtáirgtear GaN ar sliseoga sileacain, laghdaítear a phraghas go tapa le méadú ar éileamh an mhargaidh, agus is féidir praghas agus iomaíochas sa todhchaí a thuar níos cruinne. Os a choinne sin, d’fhéadfadh an líon teoranta soláthróirí SiC agus amanna fada tionscanta, suas le bliain go hiondúil, costais a mhéadú agus tionchar a imirt ar an éileamh ar mhonarú gluaisteán i ndiaidh 2025.

I dtéarmaí inscálaithe, tá GaN beagnach “gan teorainn” inscálaithe toisc gur féidir é a mhonarú ar sliseog sileacain ag baint úsáide as an trealamh céanna leis na billiúin feistí CMOS. Is féidir GaN a tháirgeadh go luath ar sliseog 8 n-orlach, 12-orlach, agus fiú 15-orlach, ach de ghnáth déantar MOSFETanna SiC ar sliseog 4-orlach nó 6-orlach agus níl siad ach ag tosú ag aistriú go sliseog 8 n-orlach.

Maidir le feidhmíocht theicniúil, is é GaN an gléas aistrithe cumhachta is tapúla ar domhan faoi láthair, ag tairiscint dlús cumhachta agus éifeachtacht aschuir níos airde ná feistí leathsheoltóra eile. Tugann sé seo buntáistí suntasacha do thomhaltóirí agus do ghnólachtaí, cibé acu i méideanna gléasanna níos lú, luasanna luchtaithe níos tapúla, nó costais fuaraithe laghdaithe agus tomhaltas fuinnimh le haghaidh ionaid sonraí. Tá buntáistí ollmhóra ag GaN.

Léiríonn córais a tógadh le GaN dlús cumhachta i bhfad níos airde i gcomparáid le SiC. De réir mar a leathnaíonn uchtú GaN, tá táirgí córais cumhachta nua le méideanna níos lú ag teacht chun cinn go leanúnach, ach ní féidir le SiC an leibhéal céanna mionaturization a bhaint amach. De réir GaN Systems, tá feidhmíocht a ngléasanna den chéad ghlúin níos airde cheana féin ná feidhmíocht na bhfeistí leathsheoltóra SiC den chúigiú glúin is déanaí. De réir mar a thagann feabhas ar fheidhmíocht GaN 5 go 10 n-uaire sa ghearrthéarma, meastar go leathnóidh an bhearna feidhmíochta seo.

Ina theannta sin, tá buntáistí suntasacha ag feistí GaN ar nós muirear geata íseal, aisghabháil droim ar ais nialasach, agus toilleas aschuir chomhréidh, rud a chuireann ar chumas ardfheidhmíochta aistrithe. I bhfeidhmchláir mheánvoltais go íseal faoi bhun 1200V, tá caillteanais aistrithe GaN ar a laghad trí huaire níos ísle ná SiC. Ó thaobh minicíochta de, oibríonn an chuid is mó de na dearaí sileacain-bhunaithe idir 60kHz agus 300kHz faoi láthair. Cé go bhfuil feabhas tagtha ar mhinicíocht SiC, tá feabhsuithe GaN níos suntasaí, ag baint amach 500kHz agus minicíochtaí níos airde.

Ós rud é go n-úsáidtear SiC de ghnáth le haghaidh 1200V agus voltais níos airde gan ach cúpla táirgí atá oiriúnach do 650V, tá a chur i bhfeidhm teoranta i ndearaí áirithe, mar shampla leictreonaic tomhaltóra 30-40V, feithiclí hibrideacha 48V, agus ionaid sonraí, agus is margaí tábhachtacha iad go léir. Mar sin, tá ról SiC sna margaí seo teoranta. Ar an láimh eile, sáraíonn GaN na leibhéil voltais seo, ag cur go mór le hionaid sonraí, leictreonaice tomhaltóra, fuinneamh in-athnuaite, earnálacha na ngluaisteán agus na tionsclaíochta.

Chun cabhrú le hinnealtóirí tuiscint níos fearr a fháil ar na difríochtaí feidhmíochta idir GaN FETs (Trasraitheoirí Éifeacht Réimse) agus SiC, dhear GaN Systems dhá sholáthair cumhachta 650V, 15A ag baint úsáide as SiC agus GaN faoi seach, agus rinne siad tástálacha comparáideacha mionsonraithe.

Comparáid Ceann le Ceann GaN vs SiC

Trí chomparáid a dhéanamh idir GaN E-HEMT (Transistor Soghluaisteachta Ard-Leictreonaí) leis an SiC MOSFET is fearr sa rang in iarratais aistrithe ardluais, fuarthas amach nuair a úsáidtear é i dtiontairí DC-DC buck sioncrónacha, an tiontaire le GaN E- Léirigh HEMT éifeachtacht i bhfad níos airde ná an ceann le SiC MOSFET. Léiríonn an chomparáid seo go soiléir go sáraíonn GaN E-HEMT an MOSFET SiC barr i bpríomhmhéadracht amhail luas aistrithe, toilleas seadánacha, caillteanais aistrithe, agus feidhmíocht theirmeach. Ina theannta sin, i gcomparáid le SiC, léiríonn GaN E-HEMT buntáistí suntasacha maidir le dearaí tiontaire cumhachta níos dlúithe agus níos éifeachtaí a bhaint amach.

CÉN FÁTH A D'FHÉADFAÍODH A BHFÉADFADH A DHÉANAMH Níos Fearr le SiC faoi Choinníollacha Áirithe?

Sa lá atá inniu ann, tá a teorainneacha bainte amach ag teicneolaíocht traidisiúnta sileacain agus ní féidir leis na buntáistí iomadúla atá ag GaN a thairiscint, agus tá feidhm SiC teoranta do chásanna úsáide sonracha. Tagraíonn an téarma “faoi choinníollacha áirithe” do theorainneacha na n-ábhar seo in iarratais shonracha. I ndomhan atá ag brath níos mó ar leictreachas, ní hamháin go bhfeabhsaíonn GaN an soláthar táirgí atá ann cheana féin ach cruthaítear réitigh nuálaíocha freisin a chuidíonn le gnólachtaí fanacht iomaíoch.

De réir mar a aistríonn leathsheoltóirí cumhachta GaN ó ghlacadh go luath go olltáirgeadh, is é an príomhchúram do chinnteoirí gnó a aithint gur féidir le leathsheoltóirí cumhachta GaN leibhéal níos airde feidhmíochta foriomlán a thairiscint. Ní hamháin go gcabhraíonn sé seo le custaiméirí sciar den mhargadh agus brabúsacht a mhéadú ach laghdaítear go héifeachtach costais oibriúcháin agus caiteachais chaipitil freisin.

I mí Mheán Fómhair na bliana seo, sheol Infineon agus GaN Systems i gcomhpháirt ardán nua Gallium Nitride ceathrú glúin (Ardán Cumhachta Gen 4 GaN). Ón soláthar cumhachta freastalaí AI 3.2kW in 2022 go dtí an ardán ceathrú glúin atá ann faoi láthair, ní hamháin go sáraíonn a éifeachtúlacht an caighdeán éifeachtúlachta Tíotáiniam 80 Plus, ach tá a dlús cumhachta méadaithe freisin ó 100W / in³ go 120W / in³. Ní hamháin go socraíonn an t-ardán seo tagarmharcanna nua maidir le héifeachtúlacht agus méid fuinnimh ach cuireann sé feidhmíocht i bhfad níos fearr ar fáil freisin.

Go hachomair, cibé an cuideachtaí sic iad a fhaigheann cuideachtaí GaN nó cuideachtaí GaN a fhaigheann cuideachtaí sic, is é an bunspreagadh é a réimsí margaidh agus feidhmchláir a leathnú. Tar éis an tsaoil, baineann GaN agus SiC le hábhair leathanbhanda (WBG), agus beidh ábhair leathsheoltóra ceathrú glúin amach anseo cosúil le Gallium Ocsaíd (Ga2O3) agus Antimonides ag teacht chun cinn de réir a chéile, ag cruthú éiceachóras teicneolaíochta éagsúlaithe. Mar sin, ní thagann na hábhair seo in áit a chéile ach le chéile is iad a spreagann fás an tionscail.**