La iluminación LED con nitruro de galio ya está generando enormes reducciones en la cantidad de energía eléctrica utilizada en todo el mundo y, dentro de diez años, se predice que esos ahorros podrían llegar al 46%.
Pero en lo que respecta al consumo de electricidad, existe otra electrónica. la tecnología eso podría resultar aún más valioso en el impulso crucial para reducir las emisiones globales de carbono, y eso es la conversión de energía.
Junto con el auge del GaN en la iluminación, los avances en las tecnologías de empaquetado para la electrónica de potencia han sido igualmente significativos. La adopción de GaN y SiC requiere enfoques innovadores para gestionar mayores capacidades energéticas. Los desarrollos recientes en la tecnología de disipadores de calor son particularmente notables, ya que desempeñan un papel crucial en el mantenimiento del rendimiento térmico de los dispositivos de alta potencia y garantizan su confiabilidad y eficiencia en diversas aplicaciones.
La mayoría de las personas desconocen por completo cómo les afecta la tecnología de conversión de energía, pero este proceso ocurre muchos billones de veces al día en todo el mundo y permite que funcionen cualquier cosa, desde teléfonos móviles hasta vehículos eléctricos y sistemas médicos e industriales. De hecho, cualquier aplicación donde la corriente eléctrica alterna tenga que convertirse en corriente continua o viceversa. Y debido a las ineficiencias de los dispositivos y sistemas electrónicos que permiten este proceso, diariamente se desperdicia una enorme cantidad de energía de la Tierra.
Tecnologías emergentes en conversión de energía
En la fabricación de GaN y SiC, la elección del sustrato es fundamental. Si bien el GaN sobre silicio aprovecha la infraestructura existente y normalmente está limitado a 650 V, la llegada de la tecnología de sustrato GaN sobre Qromis (QST) permite capas epitaxiales más gruesas. Esta innovación permite el funcionamiento a voltajes más altos, potencialmente hasta 1,200 V o más, ampliando así el alcance de GaN y SiC en aplicaciones de electrónica de potencia de alto voltaje.
Es justo decir que ha habido mucho progreso electrónico en la reducción de tales ineficiencias en la conversión de energía gracias a la creación e implementación de diversos dispositivos electrónicos de potencia.
El impacto de la tecnología GaN se extiende más allá de la electrónica de potencia tradicional e influye significativamente en los sistemas de energía renovable. Conocidos por su alta eficiencia, los dispositivos GaN pueden reducir sustancialmente la huella de carbono de sistemas como paneles solares y parques eólicos, contribuyendo a soluciones energéticas más sostenibles y ecológicas en línea con los esfuerzos globales de conservación del medio ambiente.
Un actor clave en esto ha sido el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). Este dispositivo ha funcionado bien en diseños de conversión de energía y seguirá haciéndolo, especialmente con aplicaciones heredadas. Pero a largo plazo, el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) avanzados semiconductor Los dispositivos serán el camino a seguir.
La transición a diámetros de oblea más grandes en la producción de GaN y SiC presenta varios desafíos. Gestionar el estrés y adaptar las tecnologías existentes para obleas más grandes son obstáculos clave. El cambio estratégico hacia las fábricas de 8 pulgadas tiene como objetivo aprovechar los beneficios de las obleas más grandes, pero implica un proceso de desarrollo complejo y meticuloso, que subraya la naturaleza intrincada de la fabricación de semiconductores en el ámbito de materiales avanzados como GaN y SiC.
El factor de banda prohibida
Tanto GaN como SiC pertenecen a una clase de dispositivos llamados semiconductores de banda ancha. La banda prohibida de un semiconductor se define como la energía, en electronvoltios, necesaria para que un electrón salte de la banda de valencia a la banda de conducción. La banda de valencia es simplemente la órbita electrónica más externa de un átomo de cualquier material específico que ocupen los electrones.
La diferencia de energía entre el estado energético más ocupado de la banda de valencia y el estado más bajo desocupado de la banda de conducción se llama banda prohibida y es indicativa de la conductividad eléctrica de un material. Una banda prohibida grande significa que se requiere mucha energía para excitar los electrones de valencia a la banda de conducción. Por el contrario, cuando la banda de valencia y la banda de conducción se superponen, como ocurre en los metales, los electrones pueden saltar fácilmente entre las dos bandas, lo que significa que el material se clasifica como altamente conductor.
La diferencia entre conductores, aislantes y semiconductores se puede mostrar por el tamaño de su banda prohibida. Los aisladores se caracterizan por una gran banda prohibida, por lo que se requiere una gran cantidad de energía para sacar los electrones de la banda de valencia y formar una corriente. Los conductores tienen una superposición entre las bandas de conducción y de valencia, por lo que los electrones de valencia en dichos conductores están libres.
Sin embargo, los semiconductores tienen una pequeña banda prohibida que permite que una pequeña cantidad de electrones de valencia del material se mueva hacia la banda de conducción. Esta propiedad les confiere conductividad entre conductores y aisladores, lo que es parte de la razón por la que son ideales para circuitos, ya que no provocarán un cortocircuito como un conductor.
Tanto los dispositivos de GaN como los de SiC ya han demostrado un enorme potencial para aumentar los niveles de eficiencia de la conversión de energía y, por lo tanto, ahorrar cantidades sustanciales de electricidad.
Estas dos tecnologías tienen ventajas sobre la otra y, cuando se consideran, actualmente parece que ambas encontrarán un lugar valioso en la conversión de energía. Pero ¿cuáles son algunas de las diferencias?
El factor abierto del fracaso
Los transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico (MOSFET) basados en SiC tienen la ventaja de ser dispositivos a prueba de fallos.
Esto significa que si falla un circuito, el dispositivo deja de conducir corriente. Esto elimina la posibilidad de que una falla provoque un cortocircuito y un posible incendio o explosión. Sin embargo, esta característica beneficiosa y, en ocasiones, esencial hace que sus electrones no se muevan tan rápido y esto, lamentablemente, aumenta la resistencia, que es el principal enemigo de las conversiones de energía eficientes.
Ingrese a los dispositivos basados en GaN que tienen una alta movilidad de electrones. Los transistores GaN son diferentes porque la mayor parte de la corriente que fluye a través del dispositivo se debe a la velocidad del electrón más que a la cantidad de carga. Esto significa que la carga tiene que entrar en el dispositivo para encenderlo o apagarlo. Esto reduce la energía necesaria para cada ciclo de conmutación y ofrece una operación de conversión de energía más eficiente.
Pero en lugar de ver una tecnología en particular como ganadora, hay que recordar que a veces las diferentes características operativas y las ventajas posteriores tanto del GaN como del SiC pueden resultar beneficiosas en determinadas aplicaciones.
Echemos un vistazo a los fabricantes de automóviles y sus opciones cuando se trata de decisiones de banda prohibida amplia en relación con los diseños de vehículos eléctricos (EV) y, en particular, el trabajo que realiza el inversor del vehículo, que es fundamentalmente la conversión de energía.
Los vehículos eléctricos necesitan un inversor para convertir la corriente continua de la batería de litio en corriente alterna que pueda utilizar el motor eléctrico del vehículo. Los proveedores de dispositivos de SiC fueron la elección de Elon Musk para sus automóviles Tesla, y ahora los fabricantes de vehículos chinos BYD, Toyota, Hyundai y Mercedes han seguido su ejemplo.
Sin embargo, los dispositivos de SiC no se salen con la suya cuando se trata de fabricantes de automóviles.
Las velocidades de conmutación más altas posibles con GaN son una poderosa ventaja en los inversores EV porque utilizan conmutación dura. Esto mejora el rendimiento al cambiar rápidamente de encendido a apagado para reducir el tiempo que el dispositivo mantiene alto voltaje y pasa alta corriente.
Además de un inversor, un vehículo eléctrico también suele tener un cargador a bordo, que permite cargar el vehículo a partir de la corriente principal convirtiendo CA en CC. Una vez más, el GaN resulta muy atractivo.
Varios desafíos surgen con el uso de SiC en aplicaciones automotrices. Los sustratos de SiC no son baratos y representan casi el 50% del costo de la lista de materiales para producir el dispositivo. El SiC también es inherentemente un proceso de fabricación de bajo rendimiento y la oblea es transparente, lo que requiere costosos equipos de metrología para monitorear el proceso.
Fabricar dispositivos de SiC es más difícil que fabricar semiconductores basados en Si, y la dureza del SiC dificulta los procesos de grabado y óxido de puerta.
Cuando se trata de fabricación de vehículos, los fabricantes de automóviles necesitan grandes volúmenes de productos suministrados para mantener el flujo de las líneas de producción y, en este caso, el suministro de SiC es limitado, lo que es otro obstáculo para su adopción en la industria automotriz.
En comparación con el SiC, el GaN se cultiva sobre un sustrato de Si más económico. Sin embargo, necesitan un tamaño de matriz más grande para aplicaciones de alta corriente en comparación con el SiC.
Paranoia sobre la confiabilidad de los componentes
El uso de sustratos de Si a veces puede causar problemas como desajustes y dislocaciones de la red, que a su vez causan fugas de corriente de compuerta y una menor confiabilidad, y los fabricantes de automóviles están paranoicos con respecto a la confiabilidad de los componentes a medida que las fallas operativas aumentan las devoluciones de la garantía del automóvil y posteriormente muerden una parte de la rentabilidad del fabricante de automóviles. ganancias.
Es cierto que estos problemas con el GaN podrían resolverse fácilmente con capas de epitaxia más robustas, pero eso, a su vez, aumentaría el costo general de los componentes y, una vez más, los fabricantes de automóviles son muy conscientes de los costos cuando se trata del precio de los componentes suministrados. .
La creación de dispositivos semiconductores adecuados para uso automotriz siempre debe tener en cuenta consideraciones de temperatura y, dado que el GaN se cultiva sobre un sustrato de Si, su conductividad térmica está sujeta al rendimiento de los sustratos de Si.
GaN tiene limitaciones para aplicaciones automotrices de alta potencia (más de 10 kW) y se prefiere para dispositivos por debajo de 600 V, pero tiene el potencial de ingresar al mercado de inversores con topología de potencia multinivel. Dado que los fabricantes de automóviles necesitan cantidades cada vez mayores de energía para funciones como infoentretenimiento, comunicación rápida, cámaras y radares, existe un interés creciente en los sistemas de 48 V. En este aspecto, GaN es adecuado porque tiene un coste competitivo.
Perspectivas de futuro en electrónica de potencia
Como se mencionó anteriormente, GaN permite ahorrar costos a nivel del sistema. Los costos de los dispositivos y sistemas dependen del costo del sustrato, la fabricación de las obleas, el empaque y el rendimiento general en el proceso de fabricación.
SiC y GaN satisfacen diferentes necesidades de voltaje, potencia y aplicaciones. SiC maneja niveles de voltaje de hasta 1,200 V con altas capacidades de transporte de corriente. Esto los hace adecuados para aplicaciones en inversores de automóviles y parques solares.
Alternativamente, debido a sus capacidades de conmutación en altas frecuencias y sus ventajas de costos, GaN se ha convertido en el dispositivo elegido por muchos diseñadores en aplicaciones de <10 kW.
Entonces, esas son solo algunas de las diferencias operativas entre las dos tecnologías de banda prohibida, y responder a la pregunta principal de cuál será el ganador general es imposible en esta etapa, principalmente porque ambas están en constante evolución en términos de rendimiento.
De cara al futuro, la industria de la electrónica de potencia está mirando a materiales emergentes como el óxido de galio (Ga2O3). Si bien el Ga2O3 tiene un potencial prometedor, su adopción será gradual, dada la naturaleza conservadora de la industria. La amplia aceptación y aplicación de estos nuevos materiales en escenarios de alta potencia dependerá de su capacidad para establecer un historial comprobado.
Cuando se trata de GaN, tiene la capacidad de proporcionar una conmutación muy rápida y al mismo tiempo operar a altas temperaturas. También tiene ventajas de tamaño, se considera que tiene una baja huella de carbono y es muy razonable en términos de costo de fabricación.
Desde la perspectiva del SiC, las cosas pintan bien para los fabricantes de estos dispositivos en lo que respecta al mercado de vehículos eléctricos.
Según la consultora McKinsey, los vehículos eléctricos con batería (BEV) de 800 V tienen más probabilidades de utilizar inversores basados en SiC debido a su alta eficiencia, y se espera que para finales de la década, los BEV representen el 75% del total de vehículos eléctricos. mercado.
Dejando de lado las variaciones técnicas entre las dos tecnologías, ¿qué dicen los analistas y expertos sobre qué tan bien se venderán durante el resto de esta década?
Tomando un promedio de una muestra representativa de opiniones de expertos de la industria, parece que al SiC le irá bien y las ventas alcanzarán una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del 29% y alcanzarán una cifra global de 12 mil millones de euros para 2030.
El panorama financiero parece igualmente optimista para las ventas de dispositivos GaN. Aunque las cifras de CAGR entre los analistas de mercado tienden a tener una variación más amplia, la cifra promedio general es del 26% y las ventas deberían alcanzar aproximadamente 10 mil millones de euros para 2030.
Entonces, en términos de competencia técnica, versatilidad de aplicaciones y la capacidad de hacer ganar mucho dinero a las compañías de semiconductores, no hay mucho que separe a GaN y Sic, por lo que tal vez, si finalmente hay un ganador en la carrera de banda prohibida, será Dependerá de cuál de ellos pueda demostrar la tecnología más disruptiva.