Hệ thống chiếu sáng LED hỗ trợ Gallium nitride hiện đã giảm đáng kể lượng điện năng sử dụng trên toàn cầu và trong 46 năm tới, người ta dự đoán rằng mức tiết kiệm đó có thể lên tới XNUMX%.
Nhưng khi nói đến việc tiêu thụ điện, có một thiết bị điện tử khác công nghệ điều đó thậm chí còn có giá trị hơn nữa trong nỗ lực quan trọng nhằm cắt giảm lượng khí thải carbon toàn cầu và đó là chuyển đổi năng lượng.
Cùng với sự phát triển của GaN trong lĩnh vực chiếu sáng, những tiến bộ trong công nghệ đóng gói cho thiết bị điện tử công suất cũng có ý nghĩa không kém. Việc áp dụng GaN và SiC đòi hỏi những cách tiếp cận sáng tạo để quản lý khả năng cung cấp năng lượng ngày càng tăng. Những phát triển gần đây trong công nghệ tản nhiệt đặc biệt đáng chú ý, đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất nhiệt của các thiết bị công suất cao và đảm bảo độ tin cậy cũng như hiệu quả của chúng trên nhiều ứng dụng khác nhau.
Hầu hết mọi người hoàn toàn không biết công nghệ chuyển đổi năng lượng ảnh hưởng đến họ như thế nào, nhưng quá trình này xảy ra hàng nghìn tỷ lần mỗi ngày trên toàn cầu và cho phép mọi thứ từ điện thoại di động, xe điện đến hệ thống y tế và công nghiệp đều hoạt động. Trên thực tế, bất kỳ ứng dụng nào mà dòng điện xoay chiều đều phải được chuyển đổi thành dòng điện một chiều hoặc ngược lại. Và do sự kém hiệu quả của các thiết bị và hệ thống điện tử thực hiện quá trình này, một lượng lớn năng lượng của Trái đất bị lãng phí hàng ngày.
Các công nghệ mới nổi trong chuyển đổi năng lượng
Trong quá trình sản xuất GaN và SiC, việc lựa chọn chất nền là rất quan trọng. Trong khi GaN-on-silicon tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có và thường bị giới hạn ở 650V, thì sự ra đời của công nghệ GaN-on-Qromis-Substrate (QST) cho phép tạo ra các lớp epiticular dày hơn. Cải tiến này cho phép hoạt động ở điện áp cao hơn, có khả năng lên tới 1,200V trở lên, do đó mở rộng phạm vi của GaN và SiC trong các ứng dụng điện tử công suất cao áp.
Công bằng mà nói đã có nhiều tiến bộ về mặt điện tử trong việc giảm bớt sự thiếu hiệu quả trong chuyển đổi năng lượng như vậy nhờ vào việc chế tạo và triển khai nhiều thiết bị điện tử công suất khác nhau.
Tác động của công nghệ GaN vượt ra ngoài các thiết bị điện tử công suất truyền thống, ảnh hưởng đáng kể đến các hệ thống năng lượng tái tạo. Nổi tiếng với hiệu suất cao, các thiết bị GaN có thể giảm đáng kể lượng khí thải carbon của các hệ thống như tấm pin mặt trời và trang trại gió, góp phần tạo ra các giải pháp năng lượng bền vững và thân thiện với môi trường hơn phù hợp với nỗ lực bảo tồn môi trường toàn cầu.
Nhân vật chủ chốt trong vấn đề này là bóng bán dẫn lưỡng cực có cổng cách điện (IGBT). Thiết bị này đã phục vụ tốt các thiết kế chuyển đổi năng lượng và sẽ tiếp tục làm như vậy, đặc biệt là với các ứng dụng cũ. Nhưng về lâu dài, gali nitrit (GaN) và cacbua silic (SiC) tiên tiến bán dẫn thiết bị sẽ là con đường phía trước.
Việc chuyển đổi sang đường kính wafer lớn hơn trong quá trình sản xuất GaN và SiC đặt ra một số thách thức. Quản lý căng thẳng và điều chỉnh các công nghệ hiện có cho các tấm bán dẫn lớn hơn là những trở ngại chính. Sự thay đổi chiến lược hướng tới nhà máy 8 inch nhằm mục đích khai thác lợi ích của các tấm bán dẫn lớn hơn nhưng bao gồm một quá trình phát triển phức tạp và tỉ mỉ, nhấn mạnh tính chất phức tạp của sản xuất chất bán dẫn trong lĩnh vực vật liệu tiên tiến như GaN và SiC.
Yếu tố khoảng cách băng tần
Cả GaN và SiC đều thuộc loại thiết bị được gọi là chất bán dẫn dải rộng. Vùng cấm của chất bán dẫn được định nghĩa là năng lượng, tính bằng electron volt, cần thiết để một electron nhảy từ vùng hóa trị sang vùng dẫn. Dải hóa trị đơn giản là quỹ đạo electron ngoài cùng của nguyên tử của bất kỳ vật liệu cụ thể nào mà electron chiếm giữ.
Sự chênh lệch năng lượng giữa trạng thái năng lượng bị chiếm cao nhất của vùng hóa trị và trạng thái không bị chiếm thấp nhất của vùng dẫn được gọi là khe vùng và biểu thị tính dẫn điện của vật liệu. Khoảng cách vùng cấm lớn có nghĩa là cần rất nhiều năng lượng để kích thích các electron hóa trị lên vùng dẫn. Ngược lại, khi dải hóa trị và dải dẫn trùng nhau như ở kim loại, các electron có thể dễ dàng nhảy giữa hai dải, nghĩa là vật liệu được phân loại là có tính dẫn điện cao.
Sự khác biệt giữa chất dẫn điện, chất cách điện và chất bán dẫn có thể được thể hiện bằng khoảng cách vùng cấm của chúng lớn đến mức nào. Chất cách điện có đặc điểm là có vùng cấm lớn, do đó cần một lượng năng lượng lớn để di chuyển các electron ra khỏi vùng hóa trị để tạo thành dòng điện. Các chất dẫn điện có sự chồng chéo giữa các dải dẫn và vùng hóa trị, do đó các electron hóa trị trong các dây dẫn đó là tự do.
Tuy nhiên, chất bán dẫn có vùng cấm nhỏ cho phép một lượng nhỏ electron hóa trị của vật liệu di chuyển vào vùng dẫn. Đặc tính này mang lại cho chúng khả năng dẫn điện giữa dây dẫn và chất cách điện, đó là một phần lý do tại sao chúng lý tưởng cho các mạch điện vì chúng sẽ không gây đoản mạch như dây dẫn.
Cả hai thiết bị GaN và SiC đều đã chứng tỏ được tiềm năng to lớn trong việc tăng mức hiệu suất chuyển đổi năng lượng và nhờ đó tiết kiệm được lượng điện đáng kể.
Hai công nghệ này có lợi thế hơn công nghệ kia và khi xem xét những công nghệ này, hiện tại có vẻ như cả hai sẽ tìm được vị trí có giá trị trong việc chuyển đổi năng lượng. Nhưng một số khác biệt là gì?
Yếu tố mở thất bại
Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại (MOSFET) dựa trên SiC có ưu điểm là các thiết bị không mở được.
Điều này có nghĩa là nếu mạch bị hỏng, thiết bị sẽ ngừng dẫn dòng điện. Điều này giúp loại bỏ khả năng xảy ra sự cố có thể dẫn đến đoản mạch và có thể xảy ra cháy hoặc nổ. Tuy nhiên, tính năng có lợi và đôi khi rất cần thiết này không có nghĩa là các electron của nó chuyển động không nhanh và thật không may, điều này làm tăng điện trở, vốn là kẻ thù chính của quá trình chuyển đổi năng lượng hiệu quả.
Nhập các thiết bị dựa trên GaN có độ linh động điện tử cao. Các bóng bán dẫn GaN thì khác vì phần lớn dòng điện chạy qua thiết bị là do vận tốc electron chứ không phải do lượng điện tích. Điều này có nghĩa là điện tích phải đi vào thiết bị để bật hoặc tắt thiết bị. Điều đó giúp cắt giảm năng lượng cần thiết cho mỗi chu kỳ chuyển mạch và mang lại hoạt động chuyển đổi năng lượng hiệu quả hơn.
Nhưng thay vì coi một công nghệ cụ thể nào đó là người chiến thắng, cần phải nhớ rằng đôi khi các đặc điểm hoạt động khác nhau và những ưu điểm tiếp theo của cả GaN và SiC đều có thể mang lại lợi ích trong một số ứng dụng nhất định.
Chúng ta hãy xem các nhà sản xuất ô tô và lựa chọn của họ khi đưa ra các quyết định về khoảng cách rộng liên quan đến thiết kế xe điện (EV), và đặc biệt là công việc mà bộ biến tần của xe thực hiện, về cơ bản là chuyển đổi năng lượng.
Xe điện cần một bộ biến tần để chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin lithium thành dòng điện xoay chiều mà động cơ điện của xe có thể sử dụng. Các nhà cung cấp thiết bị SiC là lựa chọn của Elon Musk cho những chiếc xe Tesla của ông, và giờ đây các nhà sản xuất xe Trung Quốc BYD, Toyota, Hyundai và Mercedes cũng đã làm theo.
Tuy nhiên, các thiết bị SiC lại không có được điều đó theo cách riêng của mình khi đến tay các nhà sản xuất ô tô.
Tốc độ chuyển đổi cao hơn có thể có với GaN là một lợi thế mạnh mẽ trong bộ biến tần EV vì chúng sử dụng chuyển mạch cứng. Điều này nâng cao hiệu suất bằng cách chuyển đổi nhanh chóng từ bật sang tắt để giảm thời gian thiết bị giữ điện áp cao và truyền dòng điện cao.
Bên cạnh bộ biến tần, xe điện thường có bộ sạc tích hợp, cho phép xe được sạc từ nguồn điện lưới bằng cách chuyển đổi AC thành DC. Ở đây một lần nữa, GaN rất hấp dẫn.
Một số thách thức đi kèm với việc sử dụng SiC trong các ứng dụng ô tô. Chất nền SiC không hề rẻ và chiếm gần 50% chi phí của hóa đơn nguyên liệu để sản xuất thiết bị. SiC vốn là một quy trình sản xuất năng suất thấp và tấm bán dẫn trong suốt nên cần có thiết bị đo lường đắt tiền để giám sát quy trình.
Việc chế tạo các thiết bị SiC khó hơn việc sản xuất chất bán dẫn dựa trên Si và độ cứng của SiC khiến quá trình ăn mòn và oxit cổng trở nên khó khăn.
Khi nói đến sản xuất ô tô, các nhà sản xuất ô tô cần số lượng lớn sản phẩm được cung cấp để duy trì hoạt động của dây chuyền sản xuất và ở đây, nguồn cung SiC bị hạn chế, đây là một trở ngại khác cho việc áp dụng SiC trong ngành công nghiệp ô tô.
So với SiC, GaN được trồng trên đế Si rẻ hơn. Tuy nhiên, chúng cần kích thước khuôn lớn hơn cho các ứng dụng dòng điện cao so với SiC.
Độ tin cậy của thành phần
Việc sử dụng chất nền Si đôi khi có thể gây ra các vấn đề như mạng không khớp và sai lệch, từ đó gây ra rò rỉ dòng điện cổng và độ tin cậy thấp hơn, đồng thời các nhà sản xuất ô tô hoang tưởng về độ tin cậy của các bộ phận khi lỗi vận hành làm tăng chi phí bảo hành ô tô và sau đó gây thiệt hại lớn cho nhà sản xuất ô tô. lợi nhuận.
Phải thừa nhận rằng những vấn đề này với GaN có thể dễ dàng được giải quyết bằng các lớp epit Wax mạnh hơn, nhưng điều đó sẽ làm tăng chi phí tổng thể của các bộ phận và một lần nữa, các nhà sản xuất ô tô lại rất quan tâm đến giá thành của các bộ phận được cung cấp. .
Việc tạo ra các thiết bị bán dẫn phù hợp để sử dụng trong ô tô luôn phải giải quyết các vấn đề về nhiệt độ và vì GaN được trồng trên nền Si nên độ dẫn nhiệt của nó phụ thuộc vào cách thức hoạt động của chất nền Si.
GaN có những hạn chế đối với các ứng dụng ô tô công suất cao (trên 10 kW) và được ưu tiên cho các thiết bị dưới 600V, nhưng nó có tiềm năng gia nhập thị trường biến tần với cấu trúc liên kết nguồn đa cấp. Vì các nhà sản xuất ô tô cần lượng điện năng ngày càng tăng cho các tính năng như thông tin giải trí, liên lạc nhanh, camera và radar nên mối quan tâm ngày càng tăng đối với hệ thống 48V. Ở khía cạnh này, GaN phù hợp vì nó có chi phí cạnh tranh.
Triển vọng tương lai trong lĩnh vực Điện tử công suất
Như đã đề cập trước đó, GaN cho phép tiết kiệm chi phí ở cấp hệ thống. Chi phí thiết bị và hệ thống phụ thuộc vào chi phí chất nền, chế tạo tấm bán dẫn, đóng gói và năng suất tổng thể trong quá trình sản xuất.
SiC và GaN phục vụ các nhu cầu về điện áp, nguồn điện và ứng dụng khác nhau. SiC xử lý các mức điện áp lên tới 1,200V với khả năng mang dòng điện cao. Điều này làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng trong bộ biến tần ô tô và trang trại năng lượng mặt trời.
Ngoài ra, do khả năng chuyển đổi ở tần số cao và lợi thế về chi phí, GaN đã trở thành thiết bị được nhiều nhà thiết kế lựa chọn trong các ứng dụng <10 kW.
Vì vậy, đó chỉ là một số khác biệt về hoạt động giữa hai công nghệ bandgap và việc trả lời câu hỏi tiêu đề xem ai sẽ là người chiến thắng chung cuộc là không thể ở giai đoạn này, chủ yếu vì cả hai đều không ngừng phát triển về mặt hiệu suất.
Nhìn về tương lai, ngành công nghiệp điện tử công suất đang chú ý đến các vật liệu mới nổi như gali oxit (Ga2O3). Mặc dù Ga2O3 có tiềm năng đầy hứa hẹn nhưng việc áp dụng nó sẽ diễn ra dần dần do tính chất bảo thủ của ngành. Việc chấp nhận và ứng dụng rộng rãi những vật liệu mới này trong các tình huống năng lượng cao sẽ phụ thuộc vào khả năng thiết lập thành tích đã được chứng minh của chúng.
Khi nói đến GaN, nó có khả năng cung cấp khả năng chuyển đổi rất nhanh đồng thời hoạt động ở nhiệt độ cao. Nó cũng có lợi thế về kích thước, được coi là có lượng khí thải carbon thấp và rất hợp lý về chi phí sản xuất.
Từ góc độ SiC, mọi thứ đang có vẻ tốt đẹp đối với các nhà sản xuất các thiết bị này khi tham gia vào thị trường xe điện.
Theo công ty tư vấn McKinsey, xe điện dùng pin 800V (BEV) có nhiều khả năng sử dụng bộ biến tần dựa trên SiC nhất vì hiệu suất cao và dự kiến đến cuối thập kỷ này, BEV sẽ chiếm 75% lượng xe điện chợ.
Bỏ qua những khác biệt về mặt kỹ thuật giữa hai công nghệ, các nhà phân tích và chuyên gia nói gì về việc chúng sẽ bán chạy như thế nào trong thời gian còn lại của thập kỷ này?
Lấy mức trung bình từ nhiều quan điểm của chuyên gia trong ngành, có vẻ như SiC sẽ hoạt động tốt và doanh số bán hàng sẽ đạt tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 29% và đạt con số toàn cầu là 12 tỷ euro vào năm 2030.
Bức tranh tài chính có vẻ tươi sáng đối với doanh số bán thiết bị GaN. Mặc dù số liệu CAGR giữa các nhà phân tích thị trường có xu hướng thay đổi rộng hơn, nhưng con số trung bình tổng thể là 26% và doanh thu sẽ đạt khoảng 10 tỷ euro vào năm 2030.
Vì vậy, xét về năng lực kỹ thuật, tính linh hoạt của ứng dụng và khả năng giúp các công ty bán dẫn kiếm được nhiều tiền, không có nhiều điều để phân biệt GaN và Sic, và vì vậy có lẽ nếu có người chiến thắng cuối cùng trong cuộc đua bandgap, nó sẽ phụ thuộc vào việc ai trong số họ có thể chứng minh được công nghệ đột phá nhất.