GaN və SiC: Birgə yaşamaq və ya Əvəzetmə?

Daha yüksək enerji sıxlığı və səmərəliliyi üçün təkan məlumat mərkəzləri, bərpa olunan enerji, istehlakçı elektronikası, elektrik nəqliyyat vasitələri və avtonom idarəetmə texnologiyaları da daxil olmaqla bir çox sənayedə innovasiyaların əsas sürücüsünə çevrildi. Geniş diapazonlu (WBG) materialları sahəsində, Gallium Nitride (GaN) və Silicon Carbide (SiC) hal-hazırda iki əsas platformadır və güc yarımkeçirici innovasiyalarına aparıcı alətlər kimi baxılır. Bu materiallar enerjiyə daim artan tələbatı ödəmək üçün enerji elektronikası sənayesini dərindən dəyişdirir.

Əslində, SiC sənayesindəki bəzi aparıcı şirkətlər də GaN texnologiyasını fəal şəkildə araşdırırlar. Bu ilin mart ayında Infineon Kanadanın GaN startapı GaN Systems-i 830 milyon dollara nağd pulla alıb. Eyni şəkildə, ROHM bu yaxınlarda EcoGaN markasının GaN HEMT cihazlarına xüsusi diqqət yetirərək, PCIM Asia-da ən son SiC və GaN məhsullarını nümayiş etdirdi. Əksinə, 2022-ci ilin avqustunda əvvəlcə GaN texnologiyasına diqqət yetirən Navitas Semiconductor, GeneSiC-ni əldə edərək, gələcək nəsil enerji yarımkeçirici portfelinə həsr olunmuş yeganə şirkət oldu.

Həqiqətən, GaN və SiC performans və tətbiq ssenarilərində bəzi üst-üstə düşür. Buna görə də, bu iki materialın tətbiq potensialını sistem baxımından qiymətləndirmək çox vacibdir. Ar-Ge prosesi zamanı müxtəlif istehsalçıların öz baxışları ola bilsə də, onları inkişaf tendensiyaları, material xərcləri, performans və dizayn imkanları daxil olmaqla bir çox aspektlərdən hərtərəfli qiymətləndirmək vacibdir.

GaN-in Qarşılaşdığı Elektrik Elektronikası Sənayesində Əsas Trendlər hansılardır?

GaN Systems-in baş direktoru Jim Witham, alınmış şirkətlərin digər rəhbərləri kimi geri addım atmağı seçməyib; əvəzinə o, tez-tez ictimai çıxışlar etməyə davam edir. Bu yaxınlarda çıxışında o, GaN enerji yarımkeçiricilərinin əhəmiyyətini vurğulayaraq qeyd etdi ki, bu texnologiya enerji sistemi dizaynerlərinə və istehsalçılarına hal-hazırda enerji elektronikası sənayesini dəyişdirən üç əsas tendensiyanı həll etməyə kömək edəcək, GaN hər bir tendensiyada həlledici rol oynayır.

GaN Systems baş direktoru Jim Witham

Birincisi, enerji səmərəliliyi məsələsi. 2050-ci ilə qədər qlobal enerji tələbinin 50%-dən çox artacağı proqnozlaşdırılır ki, bu da enerji səmərəliliyinin optimallaşdırılmasını və bərpa olunan enerjiyə keçidin sürətləndirilməsini vacib edir. Cari keçid təkcə enerji səmərəliliyinə diqqət yetirmir, həm də enerji müstəqilliyi və əsas elektrik şəbəkəsi ilə inteqrasiya kimi daha çətin aspektləri əhatə edir. GaN texnologiyası enerji və saxlama tətbiqlərində əhəmiyyətli enerji qənaət üstünlükləri təklif edir. Məsələn, GaN istifadə edən günəş mikroinverterləri daha çox elektrik enerjisi istehsal edə bilər; GaN-in AC-DC çevrilməsində və çeviricilərdə tətbiqi batareya saxlama sistemlərində enerji itkisini 50%-ə qədər azalda bilər.

İkincisi, xüsusilə nəqliyyat sektorunda elektrikləşdirmə prosesi. Elektrikli avtomobillər həmişə bu tendensiyanın diqqət mərkəzində olub. Bununla belə, elektrikləşdirmə əhalinin sıx məskunlaşdığı şəhər ərazilərində, xüsusən Asiyada iki və üç təkərli nəqliyyata (məsələn, velosipedlər, motosikletlər və rikşalar) qədər genişlənir. Bu bazarlar yetişdikcə, GaN güc tranzistorlarının üstünlükləri daha qabarıq olacaq və GaN həyat keyfiyyətinin və ətraf mühitin mühafizəsinin yaxşılaşdırılmasında həlledici rol oynayacaq.

Nəhayət, rəqəmsal dünya real vaxt rejimində məlumat tələblərinə və süni intellektin (AI) sürətli inkişafına cavab vermək üçün böyük dəyişikliklərə məruz qalır. Məlumat mərkəzlərində mövcud enerjinin çevrilməsi və paylanması texnologiyaları bulud hesablamaları və maşın öyrənməsinin, xüsusən də enerjiyə ehtiyacı olan AI tətbiqlərinin gətirdiyi sürətlə artan tələblərə cavab verə bilmir. Enerji qənaətinə nail olmaq, soyutma tələblərini azaltmaq və iqtisadi səmərəliliyi artırmaqla GaN texnologiyası məlumat mərkəzlərinin enerji təchizatı mənzərəsini yenidən formalaşdırır. Generativ AI və GaN texnologiyasının birləşməsi məlumat mərkəzləri üçün daha səmərəli, davamlı və möhkəm gələcək yaradacaq.

Biznes lideri və ətraf mühitin mühafizəsi üzrə sadiq müdafiəçi kimi Jim Witham hesab edir ki, GaN texnologiyasının sürətli inkişafı enerjidən asılı olan müxtəlif sənayelərə əhəmiyyətli dərəcədə təsir edəcək və qlobal iqtisadiyyata dərin təsirlər göstərəcək. O, həmçinin GaN enerji yarımkeçirici gəlirinin növbəti beş il ərzində 6 milyard dollara çatacağına dair bazar proqnozları ilə razılaşır və GaN texnologiyasının SiC ilə rəqabətdə unikal üstünlüklər və imkanlar təqdim etdiyini qeyd edir.

Rəqabət Qabiliyyəti baxımından GaN SiC ilə necə müqayisə olunur?

Keçmişdə GaN güc yarımkeçiriciləri haqqında bəzi yanlış fikirlər var idi, çoxları onların istehlak elektronikasında tətbiqləri doldurmaq üçün daha uyğun olduğuna inanırdı. Bununla birlikdə, GaN və SiC arasındakı əsas fərq onların gərginlik diapazonu tətbiqlərindədir. GaN aşağı və orta gərginlikli tətbiqlərdə daha yaxşı işləyir, SiC isə əsasən 1200V-dən çox yüksək gərginlikli tətbiqlər üçün istifadə olunur. Buna baxmayaraq, bu iki material arasında seçim gərginlik, performans və xərc amillərini nəzərə alır.

Məsələn, 2023 PCIM Europe sərgisində GaN Systems, enerji sıxlığı və səmərəliliyində əhəmiyyətli irəliləyişlər nümayiş etdirən GaN həllərini nümayiş etdirdi. SiC tranzistor dizaynları ilə müqayisədə, GaN əsaslı 11kW/800V bort şarj cihazları (OBC) enerji sıxlığında 36% artım və material məsrəflərində 15% azalma əldə etdi. Bu dizayn həmçinin körpüsüz totem-qütblü PFC konfiqurasiyasında üç səviyyəli uçan kondansatör topologiyasını və ikili aktiv körpü texnologiyasını birləşdirir, GaN tranzistorlarından istifadə edərək gərginlik gərginliyini 50% azaldır.

Elektrikli nəqliyyat vasitələrinin üç əsas tətbiqində - bort şarj cihazları (OBC), DC-DC çeviriciləri və dartma invertorları - GaN Systems Toyota ilə tam GaN avtomobil prototipini inkişaf etdirmək üçün əməkdaşlıq etdi və Amerika EV startapı üçün istehsala hazır OBC həllərini təmin etdi. Canoo şirkəti və Vitesco Technologies ilə əməkdaşlıq edərək 400V və 800V EV enerji sistemləri üçün GaN DC-DC çeviricilərini inkişaf etdirərək avtomobil istehsalçıları üçün daha çox seçim təklif edir.

Jim Witham hesab edir ki, hazırda SiC-dən asılı olan müştərilər iki səbəbə görə sürətlə GaN-ə keçəcəklər: məhdud mövcudluq və materialların yüksək qiyməti. Məlumat mərkəzlərindən avtomobil istehsalına qədər müxtəlif sənaye sahələrində güc tələbləri artdıqca, GaN texnologiyasına erkən keçid bu müəssisələrə gələcəkdə rəqibləri tutmaq üçün lazım olan vaxtı qısaltmağa imkan verəcək.

Təchizat zənciri baxımından, SiC daha bahalıdır və GaN ilə müqayisədə təchizat məhdudiyyətləri ilə üzləşir. GaN silikon vaflilərdə istehsal olunduğundan, onun qiyməti artan bazar tələbi ilə sürətlə azalır və gələcək qiymət və rəqabət qabiliyyətini daha dəqiq proqnozlaşdırmaq olar. Əksinə, məhdud sayda SiC tədarükçüləri və adətən bir ilə qədər uzun müddət, xərcləri artıra və 2025-ci ildən sonra avtomobil istehsalına olan tələbata təsir göstərə bilər.

Ölçeklenebilirlik baxımından GaN demək olar ki, "sonsuz" miqyaslıdır, çünki o, milyardlarla CMOS cihazı ilə eyni avadanlıqdan istifadə edərək silikon vaflilərdə istehsal edilə bilər. GaN tezliklə 8 düymlük, 12 düymlük və hətta 15 düymlük vaflilərdə istehsal oluna bilər, halbuki SiC MOSFET-lər adətən 4 düymlük və ya 6 düymlük vaflilərdə istehsal olunur və 8 düymlük vaflilərə yenicə keçməyə başlayır.

Texniki performans baxımından, GaN hazırda digər yarımkeçirici cihazlardan daha yüksək güc sıxlığı və çıxış səmərəliliyi təklif edən dünyanın ən sürətli enerji keçid cihazıdır. Bu, kiçik cihaz ölçüləri, daha sürətli şarj sürəti və ya azaldılmış soyutma xərcləri və məlumat mərkəzləri üçün enerji istehlakı baxımından istehlakçılara və bizneslərə əhəmiyyətli faydalar gətirir. GaN çox böyük üstünlüklər nümayiş etdirir.

GaN ilə qurulan sistemlər SiC ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə yüksək güc sıxlığı nümayiş etdirir. GaN-in qəbulu yayıldıqca, daha kiçik ölçülərə malik yeni enerji sistemi məhsulları daim ortaya çıxır, halbuki SiC eyni miniatürləşdirmə səviyyəsinə nail ola bilmir. GaN Systems-ə görə, onların birinci nəsil cihazlarının performansı artıq ən son beşinci nəsil SiC yarımkeçirici cihazlarının performansını üstələyib. Qısa müddətdə GaN performansı 5-10 dəfə yaxşılaşdıqca, bu performans fərqinin genişlənəcəyi gözlənilir.

Bundan əlavə, GaN cihazları yüksək keyfiyyətli keçid performansına imkan verən aşağı qapı yükü, sıfır tərs bərpa və düz çıxış tutumu kimi əhəmiyyətli üstünlüklərə malikdir. 1200V-dən aşağı olan orta və aşağı gərginlikli tətbiqlərdə GaN-nin keçid itkiləri SiC-dən ən azı üç dəfə aşağıdır. Tezlik baxımından, silikon əsaslı dizaynların əksəriyyəti hazırda 60kHz ilə 300kHz arasında işləyir. SiC tezlikdə yaxşılaşsa da, GaN-in təkmilləşdirmələri 500kHz və daha yüksək tezliklərə nail olmaqla daha aydın görünür.

SiC adətən 650V üçün uyğun bir neçə məhsulla 1200V və daha yüksək gərginliklər üçün istifadə edildiyi üçün onun tətbiqi 30-40V istehlakçı elektronikası, 48V hibrid avtomobillər və məlumat mərkəzləri kimi müəyyən dizaynlarda məhduddur, bunların hamısı mühüm bazarlardır. Buna görə də, SiC-nin bu bazarlarda rolu məhduddur. Digər tərəfdən, GaN bu gərginlik səviyyələrində üstündür, məlumat mərkəzləri, istehlakçı elektronikası, bərpa olunan enerji, avtomobil və sənaye sektorlarında əhəmiyyətli töhfələr verir.

Mühəndislərə GaN FETs (Sahə Təsirli Transistorlar) və SiC arasındakı performans fərqlərini daha yaxşı başa düşməyə kömək etmək üçün GaN Systems SiC və GaN istifadə edərək müvafiq olaraq iki 650V, 15A enerji təchizatı dizayn etdi və ətraflı müqayisəli testlər keçirdi.

GaN vs SiC Baş-baş Müqayisə

GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) ilə yüksək sürətli kommutasiya proqramlarında öz sinfinin ən yaxşı SiC MOSFET-i müqayisə edərək məlum oldu ki, sinxron pullu DC-DC çeviricilərində istifadə edildikdə GaN E- ilə çevirici HEMT SiC MOSFET ilə müqayisədə daha yüksək effektivlik nümayiş etdirdi. Bu müqayisə, GaN E-HEMT-nin keçid sürəti, parazit tutumu, keçid itkiləri və istilik performansı kimi əsas göstəricilərdə ən yaxşı SiC MOSFET-dən üstün olduğunu açıq şəkildə nümayiş etdirir. Bundan əlavə, SiC ilə müqayisədə GaN E-HEMT daha yığcam və səmərəli güc çevirici dizaynlarına nail olmaqda əhəmiyyətli üstünlüklər göstərir.

Niyə GaN Müəyyən Şərtlərdə Potensial SiC-dən üstün ola bilər?

Bu gün ənənəvi silisium texnologiyası öz hədlərinə çatıb və GaN-in malik olduğu çoxsaylı üstünlükləri təqdim edə bilmir, SiC-nin tətbiqi isə xüsusi istifadə ssenariləri ilə məhdudlaşır. “Müəyyən şərtlər altında” termini xüsusi tətbiqlərdə bu materialların məhdudiyyətlərinə aiddir. Getdikcə daha çox elektrik enerjisindən asılı olan dünyada GaN mövcud məhsul təchizatını yaxşılaşdırmaqla yanaşı, biznesin rəqabət qabiliyyətini saxlamağa kömək edən innovativ həllər də yaradır.

GaN güc yarımkeçiriciləri erkən tətbiqdən kütləvi istehsala keçid edərkən, biznes qərar qəbul edənlər üçün əsas vəzifə GaN güc yarımkeçiricilərinin daha yüksək ümumi performans təklif edə biləcəyini qəbul etməkdir. Bu, müştərilərə təkcə bazar payını və gəlirliliyi artırmağa kömək etmir, həm də əməliyyat xərclərini və kapital xərclərini effektiv şəkildə azaldır.

Bu ilin sentyabr ayında Infineon və GaN Systems birlikdə yeni dördüncü nəsil Gallium Nitride platformasını (Gen 4 GaN Power Platform) istifadəyə verdilər. 2022-ci ildə 3,2 kVt AI server enerji təchizatından indiki dördüncü nəsil platformaya qədər onun effektivliyi nəinki 80 Plus Titanium səmərəlilik standartını üstələyir, həm də onun enerji sıxlığı 100 Vt/in³-dən 120 Vt/in³-ə yüksəlib. Bu platforma nəinki enerji səmərəliliyi və ölçüdə yeni meyarlar müəyyən edir, həm də əhəmiyyətli dərəcədə üstün performans təklif edir.

Xülasə, istər GaN şirkətlərini əldə edən SiC şirkətləri, istərsə də SiC şirkətlərini əldə edən GaN şirkətləri olsun, əsas motivasiya bazar və tətbiq sahələrini genişləndirməkdir. Axı, GaN və SiC hər ikisi geniş diapazonlu (WBG) materiallara aiddir və gələcək dördüncü nəsil yarımkeçirici materiallar Qallium Oksidi (Ga2O3) və Antimonidlər kimi müxtəlif texnoloji ekosistem yaradaraq tədricən ortaya çıxacaq. Buna görə də, bu materiallar bir-birini əvəz etmir, əksinə sənayenin böyüməsinə təkan verir.**