GaN ve SiC: Birlikte Var Olmak mı, Yer Değiştirme mi?

Daha yüksek güç yoğunluğu ve verimliliğine yönelik baskı, veri merkezleri, yenilenebilir enerji, tüketici elektroniği, elektrikli araçlar ve otonom sürüş teknolojileri dahil olmak üzere birçok sektörde inovasyonun temel itici gücü haline geldi. Geniş bant aralıklı (WBG) malzemeler alanında, Galyum Nitrür (GaN) ve Silisyum Karbür (SiC), şu anda güç yarı iletken inovasyonuna öncülük eden önemli araçlar olarak görülen iki temel platformdur. Bu malzemeler, sürekli artan güç talebini karşılamak için güç elektroniği endüstrisini derinden dönüştürüyor.

Aslında SiC sektörünün önde gelen bazı şirketleri de aktif olarak GaN teknolojisini araştırıyor. Bu yılın mart ayında Infineon, Kanadalı GaN girişimi GaN Systems'i 830 milyon dolar nakit karşılığında satın aldı. Benzer şekilde ROHM, yakın zamanda EcoGaN markasının GaN HEMT cihazlarına özellikle vurgu yaparak en yeni SiC ve GaN ürünlerini PCIM Asya'da sergiledi. Bunun aksine, Ağustos 2022'de, başlangıçta GaN teknolojisine odaklanan Navitas Semiconductor, GeneSiC'yi satın alarak yeni nesil güç yarı iletken portföyüne adanmış tek şirket oldu.

Aslında GaN ve SiC, performans ve uygulama senaryolarında bazı örtüşmeler sergiliyor. Bu nedenle bu iki malzemenin uygulama potansiyelini sistem perspektifinden değerlendirmek çok önemlidir. Ar-Ge sürecinde farklı üreticilerin kendi bakış açıları olsa da, bunları geliştirme eğilimleri, malzeme maliyetleri, performans ve tasarım fırsatları da dahil olmak üzere birçok açıdan kapsamlı bir şekilde değerlendirmek önemlidir.

GaN'ın Güç Elektroniği Sektöründe Buluştuğu Temel Trendler Nelerdir?

GaN Systems CEO'su Jim Witham, satın alınan şirketlerin diğer yöneticileri gibi geri adım atmayı seçmedi; bunun yerine sık sık halkın karşısına çıkmaya devam ediyor. Son zamanlarda yaptığı bir konuşmada, GaN güç yarı iletkenlerinin önemini vurguladı ve bu teknolojinin, güç sistemi tasarımcılarının ve üreticilerinin, şu anda güç elektroniği endüstrisini dönüştüren üç temel trendi ele almasına yardımcı olacağını ve GaN'in her trendde önemli bir rol oynayacağını belirtti.

GaN Systems CEO'su Jim Witham

Öncelikle enerji verimliliği konusu. Küresel enerji talebinin 2050 yılına kadar %50'nin üzerinde artacağı ve bu durumun enerji verimliliğini optimize etmeyi ve yenilenebilir enerjiye geçişi hızlandırmayı zorunlu hale getireceği tahmin ediliyor. Mevcut geçiş yalnızca enerji verimliliğine odaklanmakla kalmıyor, aynı zamanda enerji bağımsızlığı ve ana akım elektrik şebekesine entegrasyon gibi daha zorlu yönleri de kapsıyor. GaN teknolojisi, enerji ve depolama uygulamalarında önemli enerji tasarrufu avantajları sunar. Örneğin, GaN kullanan solar mikro invertörler daha fazla elektrik üretebilir; GaN'ın AC-DC dönüşümü ve invertörlerdeki uygulaması, pil depolama sistemlerindeki enerji israfını %50'ye kadar azaltabilir.

İkincisi, özellikle ulaştırma sektöründeki elektrifikasyon süreci. Elektrikli araçlar her zaman bu trendin odak noktası olmuştur. Ancak elektrifikasyon, özellikle Asya'da yoğun nüfuslu kentsel alanlarda iki tekerlekli ve üç tekerlekli ulaşımı (bisiklet, motosiklet ve çekçek gibi) kapsayacak şekilde genişliyor. Bu pazarlar olgunlaştıkça, GaN güç transistörlerinin avantajları daha da öne çıkacak ve GaN, yaşam kalitesinin iyileştirilmesinde ve çevrenin korunmasında önemli bir rol oynayacak.

Son olarak, dijital dünya, gerçek zamanlı veri taleplerini karşılamak ve yapay zekanın (AI) hızlı gelişimini karşılamak için büyük değişiklikler geçiriyor. Veri merkezlerindeki mevcut güç dönüştürme ve dağıtım teknolojileri, bulut bilişim ve makine öğreniminin, özellikle de güce aç yapay zeka uygulamalarının getirdiği hızla artan taleplere ayak uyduramıyor. GaN teknolojisi, enerji tasarrufu sağlayarak, soğutma gereksinimlerini azaltarak ve maliyet etkinliğini artırarak veri merkezlerinin güç kaynağı ortamını yeniden şekillendiriyor. Üretken yapay zeka ve GaN teknolojisinin birleşimi, veri merkezleri için daha verimli, sürdürülebilir ve sağlam bir gelecek yaratacak.

Bir iş lideri ve sadık bir çevre savunucusu olarak Jim Witham, GaN teknolojisindeki hızlı ilerlemenin, güce bağımlı çeşitli endüstrileri önemli ölçüde etkileyeceğine ve küresel ekonomi üzerinde derin etkileri olacağına inanıyor. Ayrıca GaN güç yarı iletken gelirinin önümüzdeki beş yıl içinde 6 milyar dolara ulaşacağı yönündeki piyasa tahminleriyle de aynı fikirde olup GaN teknolojisinin SiC ile rekabette benzersiz avantajlar ve fırsatlar sunduğunu belirtti.

GaN, Rekabet Üstünlüğü Açısından SiC ile Nasıl Karşılaştırılır?

Geçmişte, GaN güç yarı iletkenleri hakkında bazı yanlış kanılar vardı ve birçoğu bunların tüketici elektroniğindeki şarj uygulamaları için daha uygun olduğuna inanıyordu. Ancak GaN ve SiC arasındaki temel ayrım, voltaj aralığı uygulamalarında yatmaktadır. GaN, düşük ve orta gerilim uygulamalarında daha iyi performans gösterirken, SiC esas olarak 1200V'u aşan yüksek gerilim uygulamalarında kullanılır. Bununla birlikte, bu iki malzeme arasındaki seçim voltaj, performans ve maliyet faktörlerinin dikkate alınmasını gerektirir.

Örneğin, 2023 PCIM Avrupa fuarında GaN Systems, güç yoğunluğu ve verimliliğinde önemli ilerlemeler gösteren GaN çözümlerini sergiledi. SiC transistör tasarımlarıyla karşılaştırıldığında, GaN tabanlı 11kW/800V yerleşik şarj cihazları (OBC), güç yoğunluğunda %36 artış ve malzeme maliyetlerinde %15 azalma elde etti. Bu tasarım aynı zamanda üç seviyeli uçan kapasitör topolojisini köprüsüz totem kutuplu PFC konfigürasyonuna ve çift aktif köprü teknolojisine entegre ederek GaN transistörlerini kullanarak voltaj stresini %50 azaltır.

Elektrikli araçların üç temel uygulamasında (yerleşik şarj cihazları (OBC), DC-DC dönüştürücüler ve çekiş invertörleri) GaN Systems, tamamen GaN bir araba prototipi geliştirmek için Toyota ile işbirliği yaptı ve Amerikalı EV girişimi için üretime hazır OBC çözümleri sağladı. Canoo ve Vitesco Technologies ile ortaklık kurarak 400V ve 800V EV güç sistemleri için GaN DC-DC dönüştürücüler geliştirerek otomobil üreticilerine daha fazla seçenek sundu.

Jim Witham, şu anda SiC'ye bağımlı olan müşterilerin muhtemelen iki nedenden dolayı hızla GaN'ye geçeceğine inanıyor: sınırlı kullanılabilirlik ve yüksek malzeme maliyeti. Veri merkezlerinden otomotive kadar çeşitli sektörlerde güç talepleri arttıkça, GaN teknolojisine erken geçiş, bu kuruluşların gelecekte rakiplere yetişmek için ihtiyaç duydukları süreyi kısaltmalarına olanak tanıyacak.

Tedarik zinciri açısından bakıldığında SiC, GaN'a kıyasla daha pahalıdır ve tedarik kısıtlamalarıyla karşı karşıyadır. GaN silikon levhalar üzerinde üretildiği için artan pazar talebiyle birlikte fiyatı hızla düşüyor ve gelecekteki fiyat ve rekabet gücü daha doğru tahmin edilebiliyor. Bunun tersine, sınırlı sayıda SiC tedarikçisi ve genellikle bir yıla kadar uzanan uzun teslimat süreleri, maliyetleri artırabilir ve 2025'ten sonra otomotiv üretimine olan talebi etkileyebilir.

Ölçeklenebilirlik açısından GaN, milyarlarca CMOS cihazıyla aynı ekipmanı kullanarak silikon plakalar üzerinde üretilebildiği için neredeyse "sonsuz" ölçeklenebilir. GaN yakında 8 inç, 12 inç ve hatta 15 inçlik levhalar halinde üretilebilirken, SiC MOSFET'ler genellikle 4 inçlik veya 6 inçlik levhalar üzerinde üretiliyor ve 8 inçlik levhalara geçiş henüz yeni başlıyor.

Teknik performans açısından GaN şu anda dünyanın en hızlı güç anahtarlama cihazıdır ve diğer yarı iletken cihazlara göre daha yüksek güç yoğunluğu ve çıkış verimliliği sunar. Bu, daha küçük cihaz boyutları, daha hızlı şarj hızları veya veri merkezleri için daha düşük soğutma maliyetleri ve enerji tüketimi açısından tüketicilere ve işletmelere önemli faydalar sağlar. GaN çok büyük avantajlar sergiliyor.

GaN ile oluşturulan sistemler, SiC'ye kıyasla önemli ölçüde daha yüksek güç yoğunluğu gösterir. GaN'nin benimsenmesi yayıldıkça, daha küçük boyutlara sahip yeni güç sistemi ürünleri sürekli olarak ortaya çıkarken SiC aynı düzeyde minyatürleştirmeyi başaramaz. GaN Systems'a göre, birinci nesil cihazlarının performansı, en yeni beşinci nesil SiC yarı iletken cihazlarının performansını şimdiden aştı. GaN performansının kısa vadede 5 ila 10 kat artmasıyla bu performans açığının açılması bekleniyor.

Ek olarak, GaN cihazları düşük geçit şarjı, sıfır ters geri kazanım ve düz çıkış kapasitansı gibi önemli avantajlara sahiptir ve yüksek kaliteli anahtarlama performansı sağlar. 1200V'un altındaki orta ve alçak gerilim uygulamalarında GaN'ın anahtarlama kayıpları SiC'den en az üç kat daha düşüktür. Frekans açısından bakıldığında çoğu silikon bazlı tasarım şu anda 60kHz ile 300kHz arasında çalışmaktadır. Her ne kadar SiC'nin frekansı artmış olsa da, GaN'in iyileştirmeleri daha belirgindir ve 500kHz ve daha yüksek frekanslara ulaşmaktadır.

SiC tipik olarak 1200V ve daha yüksek voltajlar için kullanıldığından ve 650V'ye uygun yalnızca birkaç üründe kullanıldığından, tümü önemli pazarlar olan 30-40V tüketici elektroniği, 48V hibrit araçlar ve veri merkezleri gibi belirli tasarımlarda uygulaması sınırlıdır. Bu nedenle SiC'nin bu pazarlardaki rolü sınırlıdır. GaN ise bu voltaj seviyelerinde üstünlük sağlayarak veri merkezleri, tüketici elektroniği, yenilenebilir enerji, otomotiv ve endüstriyel sektörlere önemli katkılar sağlıyor.

Mühendislerin GaN FET'ler (Alan Etkili Transistörler) ve SiC arasındaki performans farklarını daha iyi anlamalarına yardımcı olmak için GaN Systems, sırasıyla SiC ve GaN kullanan iki adet 650V, 15A güç kaynağı tasarladı ve ayrıntılı karşılaştırmalı testler gerçekleştirdi.

GaN ve SiC Birebir Karşılaştırma

Yüksek hızlı anahtarlama uygulamalarında GaN E-HEMT (Gelişmiş Yüksek Elektron Hareketli Transistörü) sınıfının en iyisi SiC MOSFET ile karşılaştırıldığında, senkron DC-DC dönüştürücülerde kullanıldığında GaN E- HEMT, SiC MOSFET'e göre çok daha yüksek verimlilik sergiledi. Bu karşılaştırma, GaN E-HEMT'nin anahtarlama hızı, parazit kapasitansı, anahtarlama kayıpları ve termal performans gibi temel ölçümlerde en iyi SiC MOSFET'ten daha iyi performans gösterdiğini açıkça göstermektedir. Ek olarak, SiC ile karşılaştırıldığında GaN E-HEMT, daha kompakt ve verimli güç dönüştürücü tasarımlarına ulaşmada önemli avantajlar göstermektedir.

GaN Neden Belirli Koşullar Altında SiC'den Potansiyel Olarak Daha İyi Performans Gösterebilir?

Günümüzde geleneksel silikon teknolojisi sınırlarına ulaşmış ve GaN'ın sahip olduğu sayısız avantajı sunamazken, SiC'nin uygulaması belirli kullanım senaryolarıyla sınırlıdır. "Belirli koşullar altında" terimi, bu malzemelerin belirli uygulamalardaki sınırlamalarını ifade eder. Elektriğe giderek daha fazla bağımlı hale gelen bir dünyada, GaN yalnızca mevcut ürün tedarikini iyileştirmekle kalmıyor, aynı zamanda işletmelerin rekabetçi kalmasına yardımcı olan yenilikçi çözümler de yaratıyor.

GaN güç yarı iletkenleri erken benimsemeden seri üretime geçerken, iş dünyasındaki karar vericilerin öncelikli görevi, GaN güç yarı iletkenlerinin daha yüksek düzeyde genel performans sunabileceğinin farkına varmaktır. Bu yalnızca müşterilerin pazar payını ve kârlılığını artırmasına yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda işletme maliyetlerini ve sermaye harcamalarını da etkili bir şekilde azaltır.

Bu yılın Eylül ayında Infineon ve GaN Systems ortaklaşa yeni bir dördüncü nesil Galyum Nitrür platformunu (Gen 4 GaN Güç Platformu) piyasaya sürdü. 2022'deki 3,2 kW AI sunucu güç kaynağından mevcut dördüncü nesil platforma kadar, verimliliği yalnızca 80 Plus Titanium verimlilik standardını aşmakla kalmadı, aynı zamanda güç yoğunluğu da 100 W/in³'ten 120 W/in³'e yükseldi. Bu platform yalnızca enerji verimliliği ve boyutta yeni ölçütler belirlemekle kalmıyor, aynı zamanda önemli ölçüde üstün performans da sunuyor.

Özetle, ister SiC şirketlerinin GaN şirketlerini satın alması, ister GaN şirketlerinin SiC şirketlerini satın alması olsun, temel motivasyon onların pazarını ve uygulama alanlarını genişletmektir. Sonuçta, GaN ve SiC'nin her ikisi de geniş bant aralıklı (WBG) malzemelere aittir ve Galyum Oksit (Ga2O3) ve Antimonitler gibi geleceğin dördüncü nesil yarı iletken malzemeleri yavaş yavaş ortaya çıkacak ve çeşitlendirilmiş bir teknolojik ekosistem yaratacaktır. Bu nedenle, bu malzemeler birbirinin yerini almaz, bunun yerine kolektif olarak endüstrinin büyümesine yön verir.**