תאורת LED התומכת בגליום ניטריד כבר מבצעת הפחתה עצומה בכמות הכוח החשמלי בשימוש בעולם, ובעוד עשר שנים, צופים שחיסכון זה יכול להגיע עד 46%.
אבל כשזה מגיע לצריכת חשמל, יש אלקטרוניקה אחרת טֶכנוֹלוֹגִיָה זה יכול להתגלות כבעל ערך אפילו יותר בדחף המכריע לצמצם את פליטת הפחמן העולמית, וזו המרת כוח.
לצד העלייה של GaN בתאורה, ההתקדמות בטכנולוגיות אריזה לאלקטרוניקה כוח הייתה משמעותית באותה מידה. האימוץ של GaN ו-SiC מחייב גישות חדשניות לניהול יכולות כוח מוגברות. ההתפתחויות האחרונות בטכנולוגיית גוף הקירור בולטים במיוחד, וממלאות תפקיד מכריע בשמירה על הביצועים התרמיים של מכשירים בעלי הספק גבוה והבטחת האמינות והיעילות שלהם במגוון יישומים.
רוב האנשים אינם מודעים כלל לאופן שבו משפיעה עליהם הטכנולוגיה של המרת הכוח, אך תהליך זה מתרחש טריליוני פעמים ביום ברחבי העולם ומאפשר לכל דבר, החל מטלפונים ניידים ועד כלי רכב חשמליים ועד למערכות רפואיות ותעשייתיות לפעול. למעשה, כל אפליקציה שבה יש להמיר זרם חשמלי חילופי לזרם ישר או להיפך. ובגלל חוסר יעילות במכשירים ובמערכות האלקטרוניות המאפשרות תהליך זה, כמות עצומה של האנרגיה של כדור הארץ מתבזבזת מדי יום.
טכנולוגיות מתפתחות בהמרת חשמל
בייצור של GaN ו-SiC, בחירת המצע היא מכרעת. בעוד GaN-on-silicon ממנף תשתית קיימת ומוגבלת בדרך כלל ל-650V, הופעת טכנולוגיית GaN-on-Qromis-substrate-technology (QST) מאפשרת שכבות אפיטקסיאליות עבות יותר. חידוש זה מאפשר פעולה במתחים גבוהים יותר, פוטנציאליים של עד 1,200V או יותר, ובכך מרחיב את היקף ה-GaN ו-SiC ביישומי אלקטרוניקה במתח גבוה.
זה הוגן לומר שהייתה התקדמות רבה מבחינה אלקטרונית בהפחתת חוסר יעילות כזו של המרת הספק הודות ליצירה והטמעה של התקני אלקטרוניקה שונים.
ההשפעה של טכנולוגיית GaN משתרעת מעבר לאלקטרוניקה כוח מסורתית, ומשפיעה באופן משמעותי על מערכות אנרגיה מתחדשת. מכשירי GaN, הידועים ביעילות גבוהה, יכולים להפחית באופן משמעותי את טביעת הרגל הפחמנית של מערכות כמו פאנלים סולאריים וחוות רוח, ולתרום לפתרונות אנרגיה ברי קיימא וידידותיים יותר לסביבה בהתאם למאמצי שימור הסביבה העולמיים.
שחקן מפתח בזה היה הטרנזיסטור הדו-קוטבי של השער המבודד (IGBT). מכשיר זה שימש היטב תכנוני המרת חשמל וימשיך לעשות זאת, במיוחד עם יישומים מדור קודם. אבל בטווח הארוך, גליום ניטריד מתקדם (GaN) וסיליקון קרביד (SiC) סמיקונדקטור מכשירים יהיו הדרך קדימה.
המעבר לקוטר פרוסות גדול יותר בייצור של GaN ו- SiC מציג מספר אתגרים. ניהול מתח והתאמת טכנולוגיות קיימות לפרוסים גדולים יותר הם מכשולים מרכזיים. השינוי האסטרטגי לכיוון של 8 אינץ' שואף לרתום את היתרונות של פרוסות גדולות יותר, אך כרוך בתהליך פיתוח מורכב ומדוקדק, המדגיש את האופי המורכב של ייצור מוליכים למחצה בתחום החומרים המתקדמים כמו GaN ו-SiC.
גורם פער הלהקות
גם GaN וגם SiC שייכים לסוג של מכשירים הנקראים מוליכים למחצה רחבי פס. מרווח הפס של מוליך למחצה מוגדר כאנרגיה, בוולט אלקטרוני, הדרושה לאלקטרון לקפוץ מרצועת הערכיות לפס ההולכה. פס הערכיות הוא פשוט מסלול האלקטרונים החיצוני ביותר של אטום מכל חומר ספציפי שהאלקטרונים תופסים.
הפרש האנרגיה בין מצב האנרגיה התפוסה הגבוהה ביותר של רצועת הערכיות למצב הלא תפוס הנמוך ביותר של רצועת ההולכה נקרא פער הרצועה והוא מעיד על המוליכות החשמלית של חומר. פער פס גדול אומר שנדרשת אנרגיה רבה כדי לעורר אלקטרונים ערכיים לפס ההולכה. לעומת זאת, כאשר פס הערכיות ורצועת ההולכה חופפים כפי שהם עושים במתכות, אלקטרונים יכולים בקלות לקפוץ בין שתי הרצועות, כלומר החומר מסווג כמוליכי גבוה.
ניתן להראות את ההבדל בין מוליכים, מבודדים ומוליכים למחצה לפי מידת הפער של הרצועה שלהם. מבודדים מאופיינים בפער פס גדול, ולכן נדרשת כמות גדולה של אנרגיה כדי להעביר אלקטרונים אל מחוץ לפס הערכיות ליצירת זרם. למוליכים יש חפיפה בין פסי ההולכה והערכיות, ולכן האלקטרונים הערכיים במוליכים כאלה חופשיים.
עם זאת, למוליכים למחצה יש פער פס קטן המאפשר לכמות קטנה מאלקטרוני הערכיות של החומר לנוע לתוך פס ההולכה. תכונה זו מעניקה להם מוליכות בין מוליכים למבודדים, וזו חלק מהסיבה לכך שהם אידיאליים למעגלים, מכיוון שהם לא יגרמו לקצר חשמלי כמו מוליך.
גם מכשירי GaN וגם מכשירי SiC כבר הוכיחו פוטנציאל עצום בהגדלת רמות היעילות של המרת הספק ובכך חיסכון בכמויות משמעותיות של חשמל.
לשתי הטכנולוגיות הללו יש יתרונות על פני האחרת, וכאשר אלה נלקחים בחשבון, כרגע נראה ששתיהן ימצאו מקום מוערך בהמרת הספק. אבל מה הם חלק מההבדלים?
הגורם הפתוח של הכשל
טרנזיסטורי אפקט שדה של מוליכים למחצה מתכת-תחמוצת מבוססי SiC (MOSFET) הם בעלי יתרון של התקנים פתוחים לכשל.
משמעות הדבר היא שאם מעגל נכשל, המכשיר מפסיק להוביל זרם. זה מבטל את האפשרות שכשל עלול להוביל לקצר חשמלי ולשריפה או פיצוץ אפשרי. עם זאת, תכונה מועילה ולעתים חיונית זו אומרת שהאלקטרונים שלו אינם זזים במהירות, וזה, למרבה הצער, מגביר את ההתנגדות, שהיא האויב העיקרי של המרות כוח יעילות.
הזן מכשירים מבוססי GaN שיש להם ניידות אלקטרונים גבוהה. טרנזיסטורי GaN שונים מכיוון שרוב הזרם הזורם במכשיר נובע ממהירות האלקטרונים ולא מכמות המטען. המשמעות היא שהטעינה צריכה להיכנס למכשיר כדי להפעיל או לכבות אותו. זה מקצץ את האנרגיה הדרושה לכל מחזור מיתוג ומספק פעולת המרת הספק יעילה יותר.
אבל במקום לראות טכנולוגיה מסוימת כמנצחת, יש לזכור שלפעמים המאפיינים התפעוליים השונים והיתרונות הבאים של GaN ו-SiC יכולים להיות מועילים ביישומים מסוימים.
בואו נסתכל על יצרניות הרכב ועל הבחירות שלהן בכל הנוגע להחלטות רווחיות רחבות ביחס לתכנוני רכב חשמלי (EV), ובפרט, העבודה שהמהפך של הרכב עושה, שהיא ביסודה המרת הספק.
רכבי EV זקוקים למהפך כדי להמיר זרם DC מסוללת הליתיום לזרם AC שהמנוע החשמלי של הרכב יכול להשתמש בו. ספקי מכשירי SiC היו הבחירה של אילון מאסק עבור מכוניות הטסלה שלו, וכעת יצרניות הרכב הסיניות BYD, טויוטה, יונדאי ומרצדס הלכו בעקבותיה.
עם זאת, למכשירי SiC אין הכל משלהם כשמדובר ביצרניות רכב.
מהירויות המיתוג הגבוהות יותר האפשריות עם GaN מהוות יתרון רב עוצמה בממירי EV מכיוון שהם משתמשים במיתוג קשה. זה משפר את הביצועים על ידי מעבר מהיר מהפעלה לכבוי כדי לחתוך את הזמן שהמכשיר מחזיק במתח גבוה ומעביר זרם גבוה.
מלבד מהפך, ל-EV יש בדרך כלל מטען מובנה, המאפשר לטעון את הרכב מזרם רשת על ידי המרת AC ל-DC. גם כאן, GaN מאוד אטרקטיבי.
מספר אתגרים מגיעים עם השימוש ב- SiC ביישומי רכב. מצעי SiC אינם זולים ומהווים כמעט 50% מהעלות של כתב החומרים לייצור המכשיר. SiC הוא גם מטבעו תהליך ייצור עם תשואה נמוכה, והפלטה היא שקופה, מה שמצריך ציוד מטרולוגי יקר לניטור התהליך.
ייצור התקני SiC קשה יותר מייצור מוליכים למחצה מבוססי Si, והקשיחות של SiC מקשה על תהליכי תחריט ותחמוצת שער.
בכל הנוגע לייצור כלי רכב, יצרניות הרכב זקוקות לכמויות גבוהות של מוצרים שסופקו כדי לשמור על זרימת קווי הייצור, וכאן, היצע ה-SiC מוגבל, מה שמהווה מכשול נוסף לאימוץ בתעשיית הרכב.
בהשוואה ל-SiC, GaN גדל על מצע Si פחות יקר. עם זאת, הם זקוקים לגודל קוביות גדול יותר עבור יישומי זרם גבוה בהשוואה ל-SiC.
פרנויה של אמינות רכיבים
השימוש במצעי Si יכול לפעמים לגרום לבעיות כמו חוסר התאמה של סריג ונקעים, אשר בתורם גורמים לדליפה של זרם שער ואמינות נמוכה יותר, ויצרניות הרכב פרנואידיות לגבי אמינות הרכיבים שכן כשלים תפעוליים מסלימים את החזרות האחריות לרכב ובעקבות כך נוגסים בנתח של יצרנית הרכב. רווחים.
אמנם, ניתן לפתור את הבעיות הללו עם GaN בקלות על ידי שכבות אפיטקסיות בשרניות יותר, אבל זה, בתורו, יגדיל את עלות הרכיבים הכוללת, ושוב, יצרניות הרכב מודעות יתר לעלות בכל הנוגע למחיר הרכיבים שסופקו. .
יצירת התקני מוליכים למחצה מתאימים לשימוש ברכב חייבת תמיד להתייחס לשיקולי טמפרטורה, ומכיוון ש-GaN גדל על מצע Si, המוליכות התרמית שלו כפופה לביצועים של מצעי Si.
ל-GaN אמנם יש מגבלות ליישומי רכב בעלי הספק גבוה (מעל 10 קילוואט) והוא מועדף עבור מכשירים מתחת ל-600V, אך יש לו פוטנציאל להיכנס לשוק הממירים עם טופולוגיית הספק רב-רמות. מכיוון שיצרניות רכב זקוקות לכמויות הולכות וגדלות של כוח עבור תכונות כמו מידע בידור, תקשורת מהירה, מצלמות ומכ"ם, יש עניין גובר במערכות 48V. בהיבט זה, GaN מתאים מכיוון שהוא תחרותי בעלויות.
סיכויי עתיד ב-Power Electronics
כפי שהוזכר קודם לכן, GaN מאפשר חיסכון בעלויות ברמת המערכת. עלויות המכשיר והמערכת תלויות בעלות המצע, ייצור פרוסות, אריזה ותפוקה כוללת בתהליך הייצור.
SiC ו-GaN משרתים מתח, הספק וצרכים שונים. SiC מטפל ברמות מתח של עד 1,200V עם יכולות נשיאת זרם גבוהות. זה הופך אותם למתאימים ליישומים בממירי רכב וחוות סולאריות.
לחלופין, בגלל יכולות המיתוג שלו בתדרים גבוהים ויתרונות העלות שלו, GaN הפך למכשיר המועדף עבור מעצבים רבים ביישומים של פחות מ-10 קילוואט.
אז אלו רק חלק מההבדלים התפעוליים בין שתי טכנולוגיות ה-bandgap, ולענות על שאלת הכותרת של מי תהיה המנצחת הכוללת היא בלתי אפשרית בשלב זה, בעיקר בגלל ששתיהן מתפתחות כל הזמן מבחינת ביצועים.
במבט לעתיד, תעשיית האלקטרוניקה הכוחנית בוחנת חומרים מתפתחים כמו תחמוצת גליום (Ga2O3). בעוד ל-Ga2O3 יש פוטנציאל מבטיח, האימוץ שלו יהיה הדרגתי, לאור האופי השמרני של התעשייה. הקבלה והיישום הנרחבים של חומרים חדשים אלה בתרחישים בעלי הספק גבוה יהיו תלויים ביכולתם לבסס רקורד מוכח.
כשזה מגיע ל-GaN, יש לו את היכולת לספק מיתוג מהיר מאוד ובו זמנית לפעול בטמפרטורות גבוהות. יש לו גם יתרונות לגודל, נחשב לבעל טביעת רגל פחמנית נמוכה, והוא סביר מאוד מבחינת עלות הייצור.
מנקודת המבט של SiC, הדברים נראים טוב עבור יצרני המכשירים הללו בכל הנוגע לשוק הרכב החשמלי.
לפי חברת הייעוץ מקינזי, רכבים חשמליים עם סוללות 800V (BEV) נוטים ביותר להשתמש בממירים מבוססי SiC בגלל היעילות הגבוהה שלהם, וצפוי שעד סוף העשור, רכבי BEV יהוו 75% מהרכב החשמלי שׁוּק.
אם לשים בצד את הווריאציות הטכניות בין שתי הטכנולוגיות, מה אומרים האנליסטים והמומחים על כמה טוב הם ימכרו בשאר העשור הזה?
אם לוקחים ממוצע מתוך חתך רוחב של דעות יודעי דבר בתעשייה, נראה ש-SiC יצליח, והמכירות ישיגו קצב צמיחה שנתי מורכב (CAGR) של 29% ויגיעו לנתון עולמי של 12 מיליארד אירו עד 2030.
התמונה הפיננסית נראית ורודה באותה מידה עבור מכירות מכשירי GaN. למרות שנתוני ה-CAGR בקרב אנליסטים בשוק נוטים להיות בעלי שונות רחבה יותר, הנתון הממוצע הכולל מגיע ל-26%, והמכירות אמורות להגיע לכ-10 מיליארד אירו עד 2030.
אז במונחים של יכולת טכנית, צדדיות יישומים והיכולת להרוויח הרבה כסף מחברות המוליכים למחצה, אין הרבה מה להפריד בין GaN ל-Sic, ולכן אולי אם יהיה מנצח בסופו של דבר במירוץ הפערים, זה יהיה תלוי מי מהם יכול להדגים את הטכנולוגיה המשבשת ביותר.