A iluminação LED com nitreto de gálio já está a provocar enormes reduções na quantidade de energia eléctrica utilizada a nível mundial e, dentro de dez anos, prevê-se que essas poupanças poderão chegar aos 46%.
Mas quando se trata do consumo de eletricidade, existe outra eletrônica tecnologia isso poderia revelar-se ainda mais valioso no esforço crucial para reduzir as emissões globais de carbono, que é a conversão de energia.
Juntamente com a ascensão do GaN na iluminação, os avanços nas tecnologias de empacotamento para eletrônica de potência foram igualmente significativos. A adoção de GaN e SiC exige abordagens inovadoras para gerenciar o aumento das capacidades de energia. Os desenvolvimentos recentes na tecnologia de dissipadores de calor são particularmente notáveis, desempenhando um papel crucial na manutenção do desempenho térmico de dispositivos de alta potência e garantindo a sua fiabilidade e eficiência em diversas aplicações.
A maioria das pessoas desconhece totalmente como a tecnologia de conversão de energia as afecta, mas este processo acontece muitos biliões de vezes por dia em todo o mundo e permite o funcionamento de tudo, desde telemóveis a veículos eléctricos e sistemas médicos e industriais. Na verdade, qualquer aplicação onde a corrente elétrica alternada deva ser convertida em corrente contínua ou vice-versa. E devido às ineficiências dos dispositivos e sistemas eletrónicos que permitem este processo, uma enorme quantidade de energia da Terra é desperdiçada diariamente.
Tecnologias emergentes em conversão de energia
Na fabricação de GaN e SiC, a escolha do substrato é fundamental. Embora o GaN-on-silício aproveite a infraestrutura existente e seja normalmente limitado a 650V, o advento da tecnologia de substrato GaN-on-Qromis (QST) permite camadas epitaxiais mais espessas. Esta inovação permite a operação em tensões mais altas, potencialmente até 1,200 V ou mais, expandindo assim o escopo do GaN e do SiC em aplicações de eletrônica de potência de alta tensão.
É justo dizer que houve muito progresso eletronicamente na redução dessas ineficiências de conversão de energia, graças à criação e implementação de vários dispositivos eletrônicos de potência.
O impacto da tecnologia GaN vai além da eletrônica de potência tradicional, influenciando significativamente os sistemas de energia renovável. Conhecidos pela sua elevada eficiência, os dispositivos GaN podem reduzir substancialmente a pegada de carbono de sistemas como painéis solares e parques eólicos, contribuindo para soluções energéticas mais sustentáveis e ecológicas, em linha com os esforços globais de conservação ambiental.
Um jogador-chave nisso foi o transistor bipolar de porta isolada (IGBT). Este dispositivo serviu bem aos projetos de conversão de energia e continuará a fazê-lo, especialmente com aplicações legadas. Mas, a longo prazo, o nitreto de gálio avançado (GaN) e o carboneto de silício (SiC) Semicondutor dispositivos serão o caminho a seguir.
A transição para diâmetros de wafer maiores na produção de GaN e SiC apresenta vários desafios. Gerenciar o estresse e adaptar as tecnologias existentes para wafers maiores são os principais obstáculos. A mudança estratégica para fábricas de 8 polegadas visa aproveitar os benefícios de wafers maiores, mas envolve um processo de desenvolvimento complexo e meticuloso, ressaltando a natureza complexa da fabricação de semicondutores no domínio de materiais avançados como GaN e SiC.
O fator de lacuna de banda
Tanto o GaN quanto o SiC pertencem a uma classe de dispositivos chamados semicondutores de banda larga. O bandgap de um semicondutor é definido como a energia, em elétron-volts, necessária para um elétron saltar da banda de valência para a banda de condução. A banda de valência é simplesmente a órbita eletrônica mais externa de um átomo de qualquer material específico ocupado pelos elétrons.
A diferença de energia entre o estado de maior energia ocupada da banda de valência e o menor estado desocupado da banda de condução é chamada de band gap e é indicativa da condutividade elétrica de um material. Um grande gap significa que muita energia é necessária para excitar os elétrons de valência para a banda de condução. Por outro lado, quando a banda de valência e a banda de condução se sobrepõem, como acontece nos metais, os elétrons podem saltar facilmente entre as duas bandas, o que significa que o material é classificado como altamente condutivo.
A diferença entre condutores, isoladores e semicondutores pode ser mostrada pelo tamanho do seu band gap. Os isoladores são caracterizados por um grande gap de banda, portanto, uma grande quantidade de energia é necessária para mover os elétrons para fora da banda de valência e formar uma corrente. Os condutores têm uma sobreposição entre as bandas de condução e de valência, de modo que os elétrons de valência nesses condutores estão livres.
No entanto, os semicondutores possuem um pequeno gap que permite que uma pequena quantidade de elétrons de valência do material se mova para a banda de condução. Essa propriedade lhes confere condutividade entre condutores e isoladores, o que é parte da razão pela qual são ideais para circuitos, pois não causarão curto-circuito como um condutor.
Os dispositivos GaN e SiC já demonstraram um enorme potencial no aumento dos níveis de eficiência da conversão de energia e, assim, na economia de quantidades substanciais de eletricidade.
Estas duas tecnologias têm vantagens sobre a outra e, quando estas são consideradas, parece que atualmente ambas encontrarão um lugar valioso na conversão de energia. Mas quais são algumas das diferenças?
O fator de falha aberta
Os transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico baseados em SiC (MOSFETs) têm a vantagem de serem dispositivos à prova de falhas.
Isso significa que se um circuito falhar, o dispositivo para de conduzir corrente. Isto elimina a possibilidade de uma falha causar um curto-circuito e um possível incêndio ou explosão. No entanto, esta característica benéfica e, por vezes, essencial significa que os seus electrões não se movem tão rapidamente, e isto, infelizmente, aumenta a resistência, que é o principal inimigo das conversões de energia eficientes.
Digite os dispositivos baseados em GaN que possuem alta mobilidade de elétrons. Os transistores GaN são diferentes porque a maior parte da corrente que flui através do dispositivo se deve à velocidade do elétron, e não à quantidade de carga. Isso significa que a carga precisa entrar no dispositivo para ligá-lo ou desligá-lo. Isso reduz a energia necessária para cada ciclo de comutação e proporciona uma operação de conversão de energia mais eficiente.
Mas, em vez de ver uma tecnologia específica como vencedora, deve-se lembrar que, às vezes, as diferentes características operacionais e as vantagens subsequentes do GaN e do SiC podem ser benéficas em determinadas aplicações.
Vamos dar uma olhada nos fabricantes de automóveis e nas suas escolhas quando se trata de decisões amplas relativas aos projetos de veículos elétricos (EV) e, em particular, o trabalho que o inversor do veículo realiza, que é fundamentalmente a conversão de energia.
Os EVs precisam de um inversor para converter a corrente CC da bateria de lítio em corrente CA que o motor elétrico do veículo pode usar. Os fornecedores de dispositivos SiC foram a escolha de Elon Musk para os seus carros Tesla, e agora os fabricantes de veículos chineses BYD, Toyota, Hyundai e Mercedes seguiram o exemplo.
No entanto, os dispositivos SiC não fazem tudo à sua maneira quando se trata de fabricantes de automóveis.
As velocidades de comutação mais altas possíveis com GaN são uma vantagem poderosa em inversores EV porque eles usam comutação rígida. Isso melhora o desempenho, alternando rapidamente entre ligado e desligado para reduzir o tempo que o dispositivo mantém alta tensão e passa alta corrente.
Além de um inversor, um EV normalmente também possui um carregador integrado, que permite que o veículo seja carregado a partir da corrente elétrica, convertendo CA em CC. Aqui, novamente, o GaN é muito atraente.
Vários desafios surgem com o uso do SiC em aplicações automotivas. Os substratos de SiC não são baratos e representam quase 50% do custo da lista de materiais para produzir o dispositivo. O SiC também é inerentemente um processo de fabricação de baixo rendimento, e o wafer é transparente, necessitando de equipamentos de metrologia caros para monitorar o processo.
Fabricar dispositivos de SiC é mais difícil do que fabricar semicondutores à base de Si, e a dureza do SiC dificulta os processos de gravação e óxido de portão.
Quando se trata de fabricação de veículos, os fabricantes de automóveis precisam de grandes volumes de produtos fornecidos para manter o fluxo das linhas de produção e, aqui, o fornecimento de SiC é limitado, o que é outro obstáculo à sua adoção na indústria automotiva.
Em comparação com o SiC, o GaN é cultivado em um substrato de Si mais barato. No entanto, eles precisam de um tamanho de matriz maior para aplicações de alta corrente em comparação com o SiC.
Paranóia de confiabilidade de componentes
O uso de substratos de Si às vezes pode causar problemas como incompatibilidade de rede e deslocamentos, que por sua vez causam vazamento de corrente de porta e menor confiabilidade, e as montadoras ficam paranóicas com a confiabilidade dos componentes, pois as falhas operacionais aumentam as devoluções de garantia do carro e, subsequentemente, prejudicam o valor da montadora. lucros.
É certo que estes problemas com GaN poderiam ser facilmente resolvidos por camadas de epitaxia mais robustas, mas isso, por sua vez, aumentaria o custo global dos componentes e, mais uma vez, os fabricantes de automóveis estão extremamente preocupados com os custos quando se trata do preço dos componentes fornecidos. .
A criação de dispositivos semicondutores adequados para uso automotivo sempre deve levar em consideração considerações de temperatura e, como o GaN é cultivado em um substrato de Si, sua condutividade térmica está sujeita ao desempenho dos substratos de Si.
GaN tem limitações para aplicações automotivas de alta potência (acima de 10 kW) e é preferido para dispositivos abaixo de 600 V, mas tem potencial para entrar no mercado de inversores com topologia de potência multinível. À medida que os fabricantes de automóveis necessitam de quantidades cada vez maiores de energia para funcionalidades como infoentretenimento, comunicação rápida, câmaras e radar, há um interesse crescente em sistemas de 48V. Neste aspecto, o GaN é adequado porque é competitivo em termos de custo.
Perspectivas Futuras em Eletrônica de Potência
Conforme mencionado anteriormente, o GaN permite economia de custos no nível do sistema. Os custos do dispositivo e do sistema dependem do custo do substrato, da fabricação do wafer, da embalagem e do rendimento geral do processo de fabricação.
SiC e GaN atendem a diferentes necessidades de tensão, potência e aplicação. O SiC suporta níveis de tensão de até 1,200 V com alta capacidade de transporte de corrente. Isso os torna adequados para aplicações em inversores automotivos e fazendas solares.
Alternativamente, devido às suas capacidades de comutação em altas frequências e às suas vantagens de custo, o GaN tornou-se o dispositivo preferido de muitos projetistas em aplicações <10 kW.
Portanto, essas são apenas algumas das diferenças operacionais entre as duas tecnologias bandgap, e responder à questão principal de qual será o vencedor geral é impossível nesta fase, principalmente porque ambas estão em constante evolução em termos de desempenho.
Olhando para o futuro, a indústria de eletrônica de potência está de olho em materiais emergentes como o óxido de gálio (Ga2O3). Embora o Ga2O3 tenha um potencial promissor, a sua adoção será gradual, dada a natureza conservadora da indústria. A ampla aceitação e aplicação destes novos materiais em cenários de alta potência dependerá da sua capacidade de estabelecer um histórico comprovado.
Quando se trata de GaN, ele tem a capacidade de fornecer comutação muito rápida enquanto opera simultaneamente em altas temperaturas. Também tem vantagens de tamanho, é considerado de baixa pegada de carbono e é muito razoável em termos de custo de fabricação.
Do ponto de vista do SiC, as coisas parecem boas para os fabricantes desses dispositivos no que diz respeito ao mercado de veículos elétricos.
De acordo com a empresa de consultoria McKinsey, os veículos elétricos com bateria de 800 V (BEVs) são mais propensos a usar inversores baseados em SiC devido à sua alta eficiência, e espera-se que, até o final da década, os BEVs representem 75% da produção de veículos elétricos. mercado.
Deixando de lado as variações técnicas entre as duas tecnologias, o que dizem os analistas e especialistas sobre quão bem venderão durante o resto desta década?
Tomando uma média de uma amostra de opiniões de especialistas da indústria, parece que o SiC terá um bom desempenho e as vendas atingirão uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 29% e atingirão um valor global de 12 mil milhões de euros até 2030.
O quadro financeiro parece igualmente otimista para as vendas de dispositivos GaN. Embora os números da CAGR entre os analistas de mercado tendam a ter uma variação mais ampla, o valor médio global é de 26% e as vendas deverão atingir aproximadamente 10 mil milhões de euros até 2030.
Portanto, em termos de competência técnica, versatilidade de aplicação e capacidade de gerar muito dinheiro para as empresas de semicondutores, não há muito que separe GaN e Sic, e então talvez se houver um eventual vencedor da corrida bandgap, será depende de qual deles pode demonstrar a tecnologia mais disruptiva.