GaN e SiC: coexistência ou substituição?

O impulso para uma maior densidade e eficiência energética tornou-se o principal impulsionador da inovação em vários setores, incluindo centros de dados, energia renovável, eletrónica de consumo, veículos elétricos e tecnologias de condução autónoma. No domínio dos materiais de banda larga (WBG), o nitreto de gálio (GaN) e o carboneto de silício (SiC) são atualmente as duas plataformas principais, vistas como ferramentas essenciais que lideram a inovação em semicondutores de potência. Esses materiais estão transformando profundamente a indústria de eletrônica de potência para atender à crescente demanda por energia.

Na verdade, algumas empresas líderes na indústria de SiC também estão explorando ativamente a tecnologia GaN. Em março deste ano, a Infineon adquiriu a startup canadense GaN GaN Systems por US$ 830 milhões em dinheiro. Da mesma forma, a ROHM apresentou recentemente seus mais recentes produtos SiC e GaN na PCIM Asia, com ênfase particular nos dispositivos GaN HEMT da marca EcoGaN. Por outro lado, em agosto de 2022, a Navitas Semiconductor, que originalmente se concentrava na tecnologia GaN, adquiriu a GeneSiC, tornando-se a única empresa dedicada ao portfólio de semicondutores de energia de próxima geração.

Na verdade, GaN e SiC apresentam alguma sobreposição em cenários de desempenho e aplicação. Portanto, é crucial avaliar o potencial de aplicação destes dois materiais do ponto de vista do sistema. Embora diferentes fabricantes possam ter os seus próprios pontos de vista durante o processo de I&D, é essencial avaliá-los de forma abrangente a partir de múltiplos aspectos, incluindo tendências de desenvolvimento, custos de materiais, desempenho e oportunidades de design.

Quais são as principais tendências na indústria de eletrônica de potência que o GaN atende?

Jim Witham, CEO da GaN Systems, não optou por recuar como outros executivos de empresas adquiridas; em vez disso, ele continua a fazer aparições públicas frequentes. Recentemente, num discurso, ele enfatizou a importância dos semicondutores de potência GaN, observando que esta tecnologia ajudará os projetistas e fabricantes de sistemas de energia a abordar três tendências principais que atualmente transformam a indústria de eletrônica de potência, com o GaN desempenhando um papel crucial em cada tendência.

Jim Witham, CEO da GaN Systems

Primeiro, a questão da eficiência energética. Prevê-se que a procura global de energia aumente mais de 50% até 2050, tornando imperativo optimizar a eficiência energética e acelerar a transição para as energias renováveis. A actual transição não se centra apenas na eficiência energética, mas também se estende a aspectos mais desafiantes, como a independência energética e a integração com a rede eléctrica convencional. A tecnologia GaN oferece vantagens significativas de economia de energia em aplicações de energia e armazenamento. Por exemplo, microinversores solares que utilizam GaN podem gerar mais eletricidade; A aplicação do GaN na conversão AC-DC e em inversores pode reduzir o desperdício de energia em sistemas de armazenamento de bateria em até 50%.

Em segundo lugar, o processo de electrificação, particularmente no sector dos transportes. Os veículos elétricos sempre foram o foco desta tendência. Contudo, a electrificação está a expandir-se para o transporte de duas e três rodas (tais como bicicletas, motociclos e riquixás) em áreas urbanas densamente povoadas, especialmente na Ásia. À medida que estes mercados amadurecem, as vantagens dos transístores de potência GaN tornar-se-ão mais proeminentes e o GaN desempenhará um papel crucial na melhoria da qualidade de vida e na protecção ambiental.

Finalmente, o mundo digital está a passar por grandes mudanças para satisfazer as exigências de dados em tempo real e o rápido desenvolvimento da inteligência artificial (IA). As atuais tecnologias de conversão e distribuição de energia em data centers não conseguem acompanhar as crescentes demandas trazidas pela computação em nuvem e pelo aprendizado de máquina, especialmente aplicações de IA que consomem muita energia. Ao conseguir poupanças de energia, reduzir os requisitos de refrigeração e melhorar a relação custo-eficácia, a tecnologia GaN está a remodelar o panorama do fornecimento de energia dos data centers. A combinação de IA generativa e tecnologia GaN criará um futuro mais eficiente, sustentável e robusto para data centers.

Como líder empresarial e firme defensor do ambiente, Jim Witham acredita que o rápido avanço da tecnologia GaN terá um impacto significativo em várias indústrias dependentes de energia e terá profundas implicações na economia global. Ele também concorda com as previsões do mercado de que a receita de semicondutores de energia GaN atingirá US$ 6 bilhões nos próximos cinco anos, observando que a tecnologia GaN oferece vantagens e oportunidades únicas na competição com o SiC.

Como o GaN se compara ao SiC em termos de vantagem competitiva?

No passado, havia alguns equívocos sobre os semicondutores de potência GaN, com muitos acreditando que eles eram mais adequados para aplicações de carregamento em eletrônicos de consumo. No entanto, a principal distinção entre GaN e SiC reside nas suas aplicações na faixa de tensão. O GaN tem melhor desempenho em aplicações de baixa e média tensão, enquanto o SiC é usado principalmente para aplicações de alta tensão superiores a 1200V. No entanto, a escolha entre esses dois materiais envolve considerar fatores de tensão, desempenho e custo.

Por exemplo, na exposição PCIM Europe de 2023, a GaN Systems apresentou soluções GaN que demonstraram avanços significativos na densidade e eficiência de energia. Em comparação com os designs de transistor SiC, os carregadores integrados (OBC) de 11kW/800V baseados em GaN alcançaram um aumento de 36% na densidade de potência e uma redução de 15% nos custos de material. Este projeto também integra uma topologia de capacitor voador de três níveis em uma configuração PFC totem-pole sem ponte e tecnologia de ponte ativa dupla, reduzindo o estresse de tensão em 50% usando transistores GaN.

Nas três principais aplicações de veículos elétricos – carregadores de bordo (OBC), conversores DC-DC e inversores de tração – a GaN Systems colaborou com a Toyota para desenvolver um protótipo de carro totalmente GaN, fornecendo soluções OBC prontas para produção para a startup americana de EV Canoo e fez parceria com a Vitesco Technologies para desenvolver conversores GaN DC-DC para sistemas de energia EV de 400 V e 800 V, oferecendo mais opções para montadoras.

Jim Witham acredita que os clientes que atualmente dependem do SiC provavelmente mudarão rapidamente para o GaN por dois motivos: a disponibilidade limitada e o alto custo dos materiais. À medida que a procura de energia aumenta em vários setores, desde centros de dados até ao setor automóvel, uma transição precoce para a tecnologia GaN permitirá que estas empresas encurtem o tempo necessário para alcançar os concorrentes no futuro.

Do ponto de vista da cadeia de abastecimento, o SiC é mais caro e enfrenta restrições de abastecimento em comparação com o GaN. Como o GaN é produzido em pastilhas de silício, seu preço diminui rapidamente com o aumento da demanda do mercado, e o preço futuro e a competitividade podem ser previstos com mais precisão. Por outro lado, o número limitado de fornecedores de SiC e os longos prazos de entrega, normalmente até um ano, poderão aumentar os custos e impactar a procura de produção automóvel para além de 2025.

Em termos de escalabilidade, o GaN é quase “infinitamente” escalável porque pode ser fabricado em wafers de silício usando o mesmo equipamento que bilhões de dispositivos CMOS. Em breve, o GaN poderá ser produzido em wafers de 8, 12 e até 15 polegadas, enquanto os MOSFETs SiC são normalmente fabricados em wafers de 4 ou 6 polegadas e estão apenas começando a transição para wafers de 8 polegadas.

Em termos de desempenho técnico, o GaN é atualmente o dispositivo de comutação de energia mais rápido do mundo, oferecendo maior densidade de potência e eficiência de saída do que outros dispositivos semicondutores. Isto traz benefícios significativos para consumidores e empresas, seja em dispositivos menores, velocidades de carregamento mais rápidas ou redução de custos de resfriamento e consumo de energia para data centers. GaN apresenta enormes vantagens.

Os sistemas construídos com GaN demonstram densidade de potência significativamente maior em comparação com SiC. À medida que a adoção do GaN se espalha, novos produtos de sistemas de energia com tamanhos menores surgem continuamente, enquanto o SiC não consegue atingir o mesmo nível de miniaturização. De acordo com a GaN Systems, o desempenho de seus dispositivos de primeira geração já ultrapassou o dos mais recentes dispositivos semicondutores SiC de quinta geração. À medida que o desempenho do GaN melhora de 5 a 10 vezes no curto prazo, espera-se que essa lacuna de desempenho aumente.

Além disso, os dispositivos GaN possuem vantagens significativas, como baixa carga de porta, recuperação reversa zero e capacitância de saída plana, permitindo desempenho de comutação de alta qualidade. Em aplicações de média e baixa tensão abaixo de 1200 V, as perdas de comutação do GaN são pelo menos três vezes menores que as do SiC. Do ponto de vista da frequência, a maioria dos projetos baseados em silício opera atualmente entre 60kHz e 300kHz. Embora o SiC tenha melhorado em frequência, as melhorias do GaN são mais pronunciadas, atingindo 500kHz e frequências mais altas.

Como o SiC é normalmente usado para tensões de 1.200 V e superiores, com apenas alguns produtos adequados para 650 V, sua aplicação é limitada em certos projetos, como eletrônicos de consumo de 30-40 V, veículos híbridos de 48 V e data centers, todos mercados importantes. Por conseguinte, o papel do SiC nestes mercados é limitado. O GaN, por outro lado, se destaca nesses níveis de tensão, fazendo contribuições significativas nos setores de data centers, eletrônicos de consumo, energia renovável, automotivo e industrial.

Para ajudar os engenheiros a entender melhor as diferenças de desempenho entre GaN FETs (Field Effect Transistors) e SiC, a GaN Systems projetou duas fontes de alimentação de 650 V, 15 A usando SiC e GaN respectivamente, e conduziu testes comparativos detalhados.

Comparação frente a frente entre GaN e SiC

Ao comparar o GaN E-HEMT (Enhanced High Electron Mobility Transistor) com o melhor MOSFET SiC da classe em aplicações de comutação de alta velocidade, descobriu-se que quando usado em conversores Buck DC-DC síncronos, o conversor com GaN E- HEMT exibiu eficiência muito maior do que aquele com SiC MOSFET. Esta comparação demonstra claramente que o GaN E-HEMT supera o melhor MOSFET SiC em métricas importantes, como velocidade de comutação, capacitância parasita, perdas de comutação e desempenho térmico. Além disso, em comparação com o SiC, o GaN E-HEMT apresenta vantagens significativas na obtenção de designs de conversores de energia mais compactos e eficientes.

Por que o GaN poderia superar potencialmente o SiC sob certas condições?

Hoje, a tecnologia tradicional de silício atingiu seus limites e não pode oferecer as inúmeras vantagens que o GaN possui, enquanto a aplicação do SiC está restrita a cenários de uso específicos. O termo “sob certas condições” refere-se às limitações destes materiais em aplicações específicas. Num mundo cada vez mais dependente da eletricidade, o GaN não só melhora o fornecimento de produtos existentes, mas também cria soluções inovadoras que ajudam as empresas a permanecerem competitivas.

À medida que os semicondutores de potência GaN passam da adoção inicial para a produção em massa, a principal tarefa dos tomadores de decisão de negócios é reconhecer que os semicondutores de potência GaN podem oferecer um nível mais alto de desempenho geral. Isto não só ajuda os clientes a aumentar a quota de mercado e a rentabilidade, mas também reduz eficazmente os custos operacionais e as despesas de capital.

Em setembro deste ano, a Infineon e a GaN Systems lançaram conjuntamente uma nova plataforma de nitreto de gálio de quarta geração (Gen 4 GaN Power Platform). Da fonte de alimentação do servidor AI de 3,2 kW em 2022 até a atual plataforma de quarta geração, sua eficiência não apenas supera o padrão de eficiência 80 Plus Titanium, mas sua densidade de potência também aumentou de 100W/in³ para 120W/in³. Esta plataforma não só estabelece novos padrões de eficiência energética e tamanho, mas também oferece um desempenho significativamente superior.

Em resumo, quer se trate de empresas de SiC que adquirem empresas de GaN ou de empresas de GaN que adquirem empresas de SiC, a motivação subjacente é expandir o seu mercado e campos de aplicação. Afinal, GaN e SiC pertencem a materiais de banda larga (WBG), e futuros materiais semicondutores de quarta geração, como óxido de gálio (Ga2O3) e antimonídeos, surgirão gradualmente, criando um ecossistema tecnológico diversificado. Portanto, esses materiais não substituem uns aos outros, mas impulsionam coletivamente o crescimento da indústria.**