GaN y SiC: ¿coexistencia o sustitución?

El impulso por una mayor densidad de energía y eficiencia se ha convertido en un principal impulsor de la innovación en múltiples industrias, incluidos los centros de datos, la energía renovable, la electrónica de consumo, los vehículos eléctricos y las tecnologías de conducción autónoma. En el ámbito de los materiales de banda prohibida ancha (WBG), el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) son actualmente las dos plataformas principales, consideradas herramientas fundamentales que lideran la innovación en semiconductores de potencia. Estos materiales están transformando profundamente la industria de la electrónica de potencia para abordar la demanda cada vez mayor de energía.

De hecho, algunas empresas líderes en la industria del SiC también están explorando activamente la tecnología GaN. En marzo de este año, Infineon adquirió la startup canadiense GaN Systems por 830 millones de dólares en efectivo. Asimismo, ROHM presentó recientemente sus últimos productos SiC y GaN en PCIM Asia, con especial énfasis en los dispositivos GaN HEMT de su marca EcoGaN. Por el contrario, en agosto de 2022, Navitas Semiconductor, que originalmente se centraba en la tecnología GaN, adquirió GeneSiC, convirtiéndose en la única empresa dedicada a la cartera de semiconductores de potencia de próxima generación.

De hecho, GaN y SiC presentan cierta superposición en los escenarios de rendimiento y aplicación. Por lo tanto, es crucial evaluar el potencial de aplicación de estos dos materiales desde una perspectiva del sistema. Aunque los diferentes fabricantes pueden tener sus propios puntos de vista durante el proceso de I+D, es esencial evaluarlos exhaustivamente desde múltiples aspectos, incluidas las tendencias de desarrollo, los costos de materiales, el rendimiento y las oportunidades de diseño.

¿Cuáles son las tendencias clave en la industria de la electrónica de potencia que cumple GaN?

Jim Witham, director ejecutivo de GaN Systems, no ha optado por dar un paso atrás como otros ejecutivos de empresas adquiridas; en cambio, continúa haciendo frecuentes apariciones públicas. Recientemente, en un discurso, enfatizó la importancia de los semiconductores de potencia de GaN, señalando que esta tecnología ayudará a los diseñadores y fabricantes de sistemas de energía a abordar tres tendencias clave que actualmente transforman la industria de la electrónica de potencia, y que GaN desempeña un papel crucial en cada tendencia.

Jim Witham, director ejecutivo de GaN Systems

En primer lugar, la cuestión de la eficiencia energética. Se prevé que la demanda mundial de energía aumentará más del 50% para 2050, por lo que será imperativo optimizar la eficiencia energética y acelerar la transición a la energía renovable. La transición actual no sólo se centra en la eficiencia energética, sino que también se extiende a aspectos más desafiantes, como la independencia energética y la integración con la red eléctrica general. La tecnología GaN ofrece importantes ventajas de ahorro de energía en aplicaciones de energía y almacenamiento. Por ejemplo, los microinversores solares que utilizan GaN pueden generar más electricidad; La aplicación de GaN en inversores y conversión CA-CC puede reducir el desperdicio de energía en sistemas de almacenamiento de baterías hasta en un 50%.

En segundo lugar, el proceso de electrificación, particularmente en el sector del transporte. Los vehículos eléctricos siempre han sido el foco de esta tendencia. Sin embargo, la electrificación se está expandiendo al transporte de dos y tres ruedas (como bicicletas, motocicletas y rickshaws) en áreas urbanas densamente pobladas, especialmente en Asia. A medida que estos mercados maduren, las ventajas de los transistores de potencia de GaN serán más prominentes y el GaN desempeñará un papel crucial en la mejora de la calidad de vida y la protección del medio ambiente.

Finalmente, el mundo digital está experimentando cambios masivos para satisfacer las demandas de datos en tiempo real y el rápido desarrollo de la inteligencia artificial (IA). Las tecnologías actuales de conversión y distribución de energía en los centros de datos no pueden seguir el ritmo de las demandas en rápido aumento que plantean la computación en la nube y el aprendizaje automático, especialmente las aplicaciones de inteligencia artificial que consumen mucha energía. Al lograr ahorros de energía, reducir los requisitos de refrigeración y mejorar la rentabilidad, la tecnología GaN está remodelando el panorama del suministro de energía de los centros de datos. La combinación de IA generativa y tecnología GaN creará un futuro más eficiente, sostenible y sólido para los centros de datos.

Como líder empresarial y firme defensor del medio ambiente, Jim Witham cree que el rápido avance de la tecnología GaN tendrá un impacto significativo en varias industrias dependientes de la energía y tendrá profundas implicaciones en la economía global. También coincide con las predicciones del mercado de que los ingresos por semiconductores de potencia GaN alcanzarán los 6 mil millones de dólares en los próximos cinco años, y señala que la tecnología GaN ofrece ventajas y oportunidades únicas en la competencia con el SiC.

¿Cómo se compara el GaN con el SiC en términos de ventaja competitiva?

En el pasado, existían algunas ideas erróneas sobre los semiconductores de potencia de GaN, y muchos creían que eran más adecuados para aplicaciones de carga en electrónica de consumo. Sin embargo, la principal distinción entre GaN y SiC radica en sus aplicaciones de rango de voltaje. GaN funciona mejor en aplicaciones de baja y media tensión, mientras que SiC se utiliza principalmente para aplicaciones de alta tensión que superan los 1200 V. Sin embargo, la elección entre estos dos materiales implica considerar factores de voltaje, rendimiento y costo.

Por ejemplo, en la exposición PCIM Europe 2023, GaN Systems mostró soluciones de GaN que demostraron avances significativos en densidad de potencia y eficiencia. En comparación con los diseños de transistores de SiC, los cargadores integrados (OBC) de 11 kW/800 V basados ​​en GaN lograron un aumento del 36 % en la densidad de potencia y una reducción del 15 % en los costos de materiales. Este diseño también integra una topología de condensador volante de tres niveles en una configuración PFC de tótem sin puente y tecnología de puente activo dual, lo que reduce el estrés de voltaje en un 50 % utilizando transistores GaN.

En las tres aplicaciones clave de los vehículos eléctricos (cargadores a bordo (OBC), convertidores CC-CC e inversores de tracción), GaN Systems ha colaborado con Toyota para desarrollar un prototipo de automóvil totalmente de GaN y ha proporcionado soluciones OBC listas para producción para la startup estadounidense de vehículos eléctricos. Canoo y se asoció con Vitesco Technologies para desarrollar convertidores CC-CC de GaN para sistemas de energía de vehículos eléctricos de 400 V y 800 V, ofreciendo más opciones para los fabricantes de automóviles.

Jim Witham cree que los clientes que actualmente dependen del SiC probablemente cambiarán rápidamente al GaN por dos razones: la disponibilidad limitada y el alto costo de los materiales. A medida que aumentan las demandas de energía en diversas industrias, desde los centros de datos hasta la automoción, una transición temprana a la tecnología GaN permitirá a estas empresas acortar el tiempo necesario para alcanzar a sus competidores en el futuro.

Desde la perspectiva de la cadena de suministro, el SiC es más caro y enfrenta limitaciones de suministro en comparación con el GaN. Dado que el GaN se produce en obleas de silicio, su precio disminuye rápidamente a medida que aumenta la demanda del mercado, y el precio y la competitividad futuros se pueden predecir con mayor precisión. Por el contrario, el número limitado de proveedores de SiC y los largos plazos de entrega, normalmente de hasta un año, podrían aumentar los costos e impactar la demanda de fabricación de automóviles más allá de 2025.

En términos de escalabilidad, GaN es casi “infinitamente” escalable porque puede fabricarse en obleas de silicio utilizando el mismo equipo que miles de millones de dispositivos CMOS. Pronto se podrá producir GaN en obleas de 8, 12 e incluso 15 pulgadas, mientras que los MOSFET de SiC generalmente se fabrican en obleas de 4 o 6 pulgadas y apenas están comenzando a hacer la transición a obleas de 8 pulgadas.

En términos de rendimiento técnico, GaN es actualmente el dispositivo de conmutación de energía más rápido del mundo y ofrece mayor densidad de potencia y eficiencia de salida que otros dispositivos semiconductores. Esto aporta importantes beneficios a los consumidores y las empresas, ya sea en dispositivos de menor tamaño, velocidades de carga más rápidas o menores costos de refrigeración y consumo de energía para los centros de datos. GaN presenta enormes ventajas.

Los sistemas construidos con GaN demuestran una densidad de potencia significativamente mayor en comparación con el SiC. A medida que se extiende la adopción de GaN, continuamente surgen nuevos productos de sistemas de energía con tamaños más pequeños, mientras que el SiC no puede alcanzar el mismo nivel de miniaturización. Según GaN Systems, el rendimiento de sus dispositivos de primera generación ya ha superado al de los últimos dispositivos semiconductores de SiC de quinta generación. A medida que el rendimiento de GaN mejora entre 5 y 10 veces en el corto plazo, se espera que esta brecha de rendimiento se amplíe.

Además, los dispositivos GaN poseen importantes ventajas, como carga de puerta baja, recuperación inversa cero y capacitancia de salida plana, lo que permite un rendimiento de conmutación de alta calidad. En aplicaciones de voltaje medio a bajo por debajo de 1200 V, las pérdidas de conmutación del GaN son al menos tres veces menores que las del SiC. Desde una perspectiva de frecuencia, la mayoría de los diseños basados ​​en silicio operan actualmente entre 60 kHz y 300 kHz. Aunque el SiC ha mejorado en frecuencia, las mejoras del GaN son más pronunciadas, alcanzando frecuencias de 500 kHz y más altas.

Dado que el SiC se utiliza normalmente para voltajes de 1200 V y superiores y solo unos pocos productos son adecuados para 650 V, su aplicación está limitada en ciertos diseños, como la electrónica de consumo de 30-40 V, los vehículos híbridos de 48 V y los centros de datos, todos los cuales son mercados importantes. Por tanto, el papel del SiC en estos mercados es limitado. GaN, por otro lado, sobresale en estos niveles de voltaje, haciendo contribuciones significativas en los sectores de centros de datos, electrónica de consumo, energías renovables, automoción e industrial.

Para ayudar a los ingenieros a comprender mejor las diferencias de rendimiento entre los FET (transistores de efecto de campo) de GaN y SiC, GaN Systems diseñó dos fuentes de alimentación de 650 V y 15 A que utilizan SiC y GaN respectivamente y realizó pruebas comparativas detalladas.

Comparación directa de GaN y SiC

Al comparar el GaN E-HEMT (transistor de alta movilidad de electrones mejorado) con el mejor MOSFET de SiC de su clase en aplicaciones de conmutación de alta velocidad, se descubrió que cuando se utiliza en convertidores CC-CC reductores síncronos, el convertidor con GaN E- HEMT mostró una eficiencia mucho mayor que el de SiC MOSFET. Esta comparación demuestra claramente que GaN E-HEMT supera al MOSFET de SiC superior en métricas clave como velocidad de conmutación, capacitancia parásita, pérdidas de conmutación y rendimiento térmico. Además, en comparación con el SiC, GaN E-HEMT muestra ventajas significativas para lograr diseños de convertidores de potencia más compactos y eficientes.

¿Por qué el GaN podría superar potencialmente al SiC en determinadas condiciones?

Hoy en día, la tecnología tradicional del silicio ha llegado a sus límites y no puede ofrecer las numerosas ventajas que posee el GaN, mientras que la aplicación del SiC se limita a escenarios de uso específicos. El término "bajo ciertas condiciones" se refiere a las limitaciones de estos materiales en aplicaciones específicas. En un mundo cada vez más dependiente de la electricidad, GaN no solo mejora el suministro de productos existentes sino que también crea soluciones innovadoras que ayudan a las empresas a seguir siendo competitivas.

A medida que los semiconductores de potencia de GaN pasan de su adopción temprana a la producción en masa, la tarea principal de los responsables de la toma de decisiones empresariales es reconocer que los semiconductores de potencia de GaN pueden ofrecer un mayor nivel de rendimiento general. Esto no sólo ayuda a los clientes a aumentar la participación de mercado y la rentabilidad, sino que también reduce efectivamente los costos operativos y los gastos de capital.

En septiembre de este año, Infineon y GaN Systems lanzaron conjuntamente una nueva plataforma de nitruro de galio de cuarta generación (Gen 4 GaN Power Platform). Desde la fuente de alimentación del servidor AI de 3,2 kW en 2022 hasta la plataforma actual de cuarta generación, su eficiencia no solo supera el estándar de eficiencia 80 Plus Titanium, sino que su densidad de potencia también ha aumentado de 100 W/in³ a 120 W/in³. Esta plataforma no sólo establece nuevos puntos de referencia en eficiencia energética y tamaño, sino que también ofrece un rendimiento significativamente superior.

En resumen, ya sea que se trate de empresas de SiC que adquieren empresas de GaN o de empresas de GaN que adquieren empresas de SiC, la motivación subyacente es expandir su mercado y sus campos de aplicación. Después de todo, tanto el GaN como el SiC pertenecen a materiales de banda prohibida amplia (WBG), y los futuros materiales semiconductores de cuarta generación, como el óxido de galio (Ga2O3) y los antimonuros, surgirán gradualmente, creando un ecosistema tecnológico diversificado. Por lo tanto, estos materiales no se reemplazan entre sí sino que, en conjunto, impulsan el crecimiento de la industria.**