L’illuminazione a LED con nitruro di gallio sta già riducendo enormemente la quantità di energia elettrica utilizzata a livello globale e, tra dieci anni, si prevede che tali risparmi potrebbero raggiungere il 46%.
Ma quando si tratta del consumo di elettricità, c’è un’altra elettronica la tecnologia ciò potrebbe rivelarsi ancora più prezioso nella spinta cruciale per ridurre le emissioni globali di carbonio, e questa è la conversione di energia.
Oltre all’aumento del GaN nell’illuminazione, i progressi nelle tecnologie di packaging per l’elettronica di potenza sono stati altrettanto significativi. L’adozione di GaN e SiC richiede approcci innovativi per gestire le maggiori capacità di potenza. I recenti sviluppi nella tecnologia dei dissipatori di calore sono particolarmente degni di nota, poiché svolgono un ruolo cruciale nel mantenere le prestazioni termiche dei dispositivi ad alta potenza e nel garantirne l’affidabilità e l’efficienza in varie applicazioni.
La maggior parte delle persone è totalmente inconsapevole degli effetti che la tecnologia di conversione dell’energia ha su di loro, ma questo processo avviene migliaia di miliardi di volte al giorno a livello globale e consente il funzionamento di qualsiasi cosa, dai telefoni cellulari ai veicoli elettrici ai sistemi medici e industriali. Infatti, qualsiasi applicazione in cui la corrente elettrica alternata deve essere convertita in corrente continua o viceversa. E a causa delle inefficienze dei dispositivi e dei sistemi elettronici che consentono questo processo, un’enorme quantità di energia della Terra viene sprecata ogni giorno.
Tecnologie emergenti nella conversione di potenza
Nella produzione di GaN e SiC, la scelta del substrato è fondamentale. Mentre il GaN su silicio sfrutta l’infrastruttura esistente ed è generalmente limitato a 650 V, l’avvento della tecnologia del substrato GaN su Qromis (QST) consente strati epitassiali più spessi. Questa innovazione consente il funzionamento a tensioni più elevate, potenzialmente fino a 1,200 V o più, ampliando così la portata di GaN e SiC nelle applicazioni di elettronica di potenza ad alta tensione.
È giusto dire che sono stati compiuti molti progressi a livello elettronico nella riduzione di tali inefficienze nella conversione di potenza grazie alla creazione e all'implementazione di vari dispositivi elettronici di potenza.
L’impatto della tecnologia GaN va oltre l’elettronica di potenza tradizionale, influenzando in modo significativo i sistemi di energia rinnovabile. Noti per l’elevata efficienza, i dispositivi GaN possono ridurre sostanzialmente l’impronta di carbonio di sistemi come pannelli solari e parchi eolici, contribuendo a soluzioni energetiche più sostenibili ed ecocompatibili in linea con gli sforzi globali di conservazione ambientale.
Un attore chiave in questo è stato il transistor bipolare a gate isolato (IGBT). Questo dispositivo ha funzionato bene nei progetti di conversione di potenza e continuerà a farlo, in particolare con le applicazioni legacy. Ma a lungo termine, il nitruro di gallio (GaN) e il carburo di silicio (SiC) avanzati semiconduttore i dispositivi saranno la strada da seguire.
La transizione verso diametri di wafer più grandi nella produzione di GaN e SiC introduce diverse sfide. Gestire lo stress e adattare le tecnologie esistenti per wafer più grandi sono ostacoli fondamentali. Lo spostamento strategico verso le fabbriche da 8 pollici mira a sfruttare i vantaggi dei wafer più grandi, ma comporta un processo di sviluppo complesso e meticoloso, sottolineando la natura complessa della produzione di semiconduttori nel regno dei materiali avanzati come GaN e SiC.
Il fattore gap di banda
Sia GaN che SiC appartengono a una classe di dispositivi chiamati semiconduttori a banda larga. La banda proibita di un semiconduttore è definita come l'energia, espressa in elettronvolt, necessaria affinché un elettrone passi dalla banda di valenza alla banda di conduzione. La banda di valenza è semplicemente l'orbita elettronica più esterna di un atomo di qualsiasi materiale specifico occupato dagli elettroni.
La differenza di energia tra lo stato energetico più occupato della banda di valenza e lo stato più basso non occupato della banda di conduzione è chiamata band gap ed è indicativa della conduttività elettrica di un materiale. Un ampio gap di banda significa che è necessaria molta energia per eccitare gli elettroni di valenza nella banda di conduzione. Al contrario, quando la banda di valenza e la banda di conduzione si sovrappongono come nei metalli, gli elettroni possono facilmente saltare tra le due bande, il che significa che il materiale è classificato come altamente conduttivo.
La differenza tra conduttori, isolanti e semiconduttori può essere mostrata dall'ampiezza del loro intervallo di banda. Gli isolanti sono caratterizzati da un ampio intervallo di banda, quindi è necessaria una grande quantità di energia per spostare gli elettroni fuori dalla banda di valenza per formare una corrente. I conduttori hanno una sovrapposizione tra le bande di conduzione e di valenza, quindi gli elettroni di valenza in tali conduttori sono liberi.
Tuttavia, i semiconduttori hanno un piccolo intervallo di banda che consente a una piccola quantità di elettroni di valenza del materiale di spostarsi nella banda di conduzione. Questa proprietà conferisce loro una conduttività tra conduttori e isolanti, il che è uno dei motivi per cui sono ideali per i circuiti, poiché non provocano un cortocircuito come un conduttore.
Sia i dispositivi GaN che quelli SiC hanno già dimostrato un enorme potenziale nell'aumentare i livelli di efficienza della conversione di potenza e quindi nel risparmiare notevoli quantità di elettricità.
Queste due tecnologie presentano vantaggi l’una rispetto all’altra e, se presi in considerazione, sembra che entrambe troveranno un posto prezioso nella conversione di energia. Ma quali sono alcune delle differenze?
Il fattore di apertura al fallimento
I transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET) basati su SiC hanno il vantaggio di essere dispositivi fail-open.
Ciò significa che se un circuito si guasta, il dispositivo smette di condurre corrente. Ciò elimina la possibilità che un guasto possa provocare un cortocircuito e un possibile incendio o esplosione. Tuttavia, questa caratteristica benefica e, a volte, essenziale significa che i suoi elettroni non si muovono così velocemente e questo, sfortunatamente, aumenta la resistenza, che è il principale nemico di conversioni efficienti di potenza.
Inserisci i dispositivi basati su GaN che hanno un'elevata mobilità degli elettroni. I transistor GaN sono diversi perché la maggior parte della corrente che scorre attraverso il dispositivo è dovuta alla velocità degli elettroni piuttosto che alla quantità di carica. Ciò significa che la carica deve entrare nel dispositivo per accenderlo o spegnerlo. Ciò riduce l'energia necessaria per ciascun ciclo di commutazione e garantisce un'operazione di conversione della potenza più efficiente.
Ma invece di considerare vincente una particolare tecnologia, è necessario ricordare che a volte le diverse caratteristiche operative e i conseguenti vantaggi sia del GaN che del SiC possono essere utili in determinate applicazioni.
Diamo un'occhiata ai produttori di automobili e alle loro scelte quando si tratta di decisioni sull'ampio gap di banda relative alla progettazione dei veicoli elettrici (EV) e, in particolare, al lavoro svolto dall'inverter del veicolo, che è fondamentalmente la conversione di potenza.
I veicoli elettrici necessitano di un inverter per convertire la corrente continua proveniente dalla batteria al litio in corrente alternata utilizzabile dal motore elettrico del veicolo. I fornitori di dispositivi SiC sono stati la scelta di Elon Musk per le sue auto Tesla, e ora i produttori di veicoli cinesi BYD, Toyota, Hyundai e Mercedes hanno seguito l’esempio.
Tuttavia, i dispositivi SiC non hanno tutte le carte in regola per quanto riguarda i produttori di automobili.
Le velocità di commutazione più elevate possibili con GaN rappresentano un potente vantaggio negli inverter EV perché utilizzano la commutazione forzata. Ciò migliora le prestazioni passando rapidamente da acceso a spento per ridurre il tempo in cui il dispositivo mantiene alta tensione e fa passare corrente elevata.
Oltre a un inverter, un veicolo elettrico in genere è dotato anche di un caricabatterie di bordo, che consente di caricare il veicolo tramite la corrente di rete convertendo la corrente alternata in corrente continua. Anche in questo caso il GaN è molto interessante.
Molte sfide derivano dall’utilizzo del SiC nelle applicazioni automobilistiche. I substrati SiC non sono economici e rappresentano quasi il 50% del costo della distinta base per produrre il dispositivo. Il SiC è anche intrinsecamente un processo di produzione a basso rendimento e il wafer è trasparente, richiedendo costose apparecchiature metrologiche per monitorare il processo.
Realizzare dispositivi SiC è più difficile che produrre semiconduttori a base di SiC e la durezza del SiC rende difficili i processi di attacco e ossido di gate.
Quando si tratta di produzione di veicoli, le case automobilistiche necessitano di elevati volumi di prodotti forniti per mantenere il flusso delle linee di produzione, e in questo caso la fornitura di SiC è limitata, il che rappresenta un altro ostacolo alla sua adozione nell’industria automobilistica.
Rispetto al SiC, il GaN viene coltivato su un substrato di Si meno costoso. Tuttavia, necessitano di un die di dimensioni maggiori per applicazioni ad alta corrente rispetto al SiC.
Paranoia sull'affidabilità dei componenti
L'uso di substrati di Si può talvolta causare problemi come disadattamento del reticolo e dislocazioni, che a loro volta causano perdite di corrente di gate e minore affidabilità, e le case automobilistiche sono paranoiche sull'affidabilità dei componenti poiché i guasti operativi aumentano i resi in garanzia dell'auto e di conseguenza mordono un pezzo del produttore automobilistico. profitti.
Certo, questi problemi con il GaN potrebbero essere facilmente risolti con strati epitassia più robusti, ma ciò, a sua volta, aumenterebbe il costo complessivo dei componenti e, ancora una volta, i produttori di automobili sono estremamente attenti ai costi quando si tratta del prezzo dei componenti forniti. .
La creazione di dispositivi semiconduttori adatti per l'uso automobilistico deve sempre tenere conto di considerazioni sulla temperatura e, poiché il GaN viene coltivato su un substrato di Si, la sua conduttività termica è soggetta alle prestazioni dei substrati di Si.
Il GaN presenta limitazioni per le applicazioni automobilistiche ad alta potenza (superiore a 10 kW) ed è preferito per i dispositivi inferiori a 600 V, ma ha il potenziale per entrare nel mercato degli inverter con una topologia di potenza multilivello. Poiché le case automobilistiche necessitano di quantità sempre maggiori di energia per funzionalità quali infotainment, comunicazione veloce, telecamere e radar, vi è un crescente interesse per i sistemi a 48 V. Sotto questo aspetto, il GaN è adatto perché è competitivo in termini di costi.
Prospettive future nell'elettronica di potenza
Come accennato in precedenza, il GaN consente risparmi sui costi a livello di sistema. I costi del dispositivo e del sistema dipendono dal costo del substrato, dalla fabbricazione del wafer, dall'imballaggio e dalla resa complessiva del processo di produzione.
SiC e GaN soddisfano diverse esigenze di tensione, potenza e applicazione. Il SiC gestisce livelli di tensione fino a 1,200 V con elevate capacità di trasporto di corrente. Ciò li rende adatti per applicazioni negli inverter automobilistici e nei parchi solari.
In alternativa, grazie alle sue capacità di commutazione ad alte frequenze e ai suoi vantaggi in termini di costi, il GaN è diventato il dispositivo preferito da molti progettisti in applicazioni <10 kW.
Quindi queste sono solo alcune delle differenze operative tra le due tecnologie bandgap, e rispondere alla domanda principale su quale sarà il vincitore assoluto è impossibile in questa fase, principalmente perché entrambe sono in costante evoluzione in termini di prestazioni.
Guardando al futuro, l’industria dell’elettronica di potenza sta guardando ai materiali emergenti come l’ossido di gallio (Ga2O3). Sebbene Ga2O3 abbia un potenziale promettente, la sua adozione sarà graduale, data la natura conservativa del settore. L’ampia accettazione e l’applicazione di questi nuovi materiali in scenari ad alta potenza dipenderanno dalla loro capacità di stabilire una comprovata esperienza.
Quando si tratta di GaN, ha la capacità di fornire una commutazione molto rapida funzionando contemporaneamente a temperature elevate. Presenta anche vantaggi in termini di dimensioni, è considerato a bassa impronta di carbonio ed è molto ragionevole in termini di costi di produzione.
Dal punto di vista del SiC, le cose sembrano andare bene per i produttori di questi dispositivi per quanto riguarda il mercato dei veicoli elettrici.
Secondo la società di consulenza McKinsey, i veicoli elettrici a batteria (BEV) da 800 V hanno maggiori probabilità di utilizzare inverter basati su SiC a causa della loro elevata efficienza, e si prevede che entro la fine del decennio i BEV rappresenteranno il 75% dei veicoli elettrici. mercato.
Mettendo da parte le variazioni tecniche tra le due tecnologie, cosa dicono gli analisti e gli esperti su quanto bene venderanno per il resto di questo decennio?
Prendendo una media da uno spaccato di opinioni di esperti del settore, sembra che il SiC andrà bene e le vendite raggiungeranno un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 29% e raggiungeranno una cifra globale di 12 miliardi di euro entro il 2030.
Il quadro finanziario appare altrettanto roseo per le vendite di dispositivi GaN. Sebbene i dati CAGR tra gli analisti di mercato tendano ad avere una variazione più ampia, la cifra media complessiva si attesta al 26% e le vendite dovrebbero raggiungere circa 10 miliardi di euro entro il 2030.
Quindi, in termini di competenza tecnica, versatilità applicativa e capacità di fruttare un sacco di soldi alle aziende produttrici di semiconduttori, non c'è molto che separa GaN e Sic, e quindi forse se ci sarà un vincitore finale della corsa al bandgap, sarà dipende da chi di loro può dimostrare la tecnologia più dirompente.