GaN وSiC: التعايش أم الاستبدال؟

لقد أصبح الدفع نحو زيادة كثافة الطاقة وكفاءتها هو المحرك الرئيسي للابتكار عبر العديد من الصناعات، بما في ذلك مراكز البيانات، والطاقة المتجددة، والإلكترونيات الاستهلاكية، والمركبات الكهربائية، وتقنيات القيادة الذاتية. في عالم المواد ذات فجوة النطاق الواسعة (WBG)، تعد نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC) حاليًا المنصتين الأساسيتين، حيث يُنظر إليهما على أنهما أدوات محورية تقود ابتكار أشباه موصلات الطاقة. تعمل هذه المواد على إحداث تحول جذري في صناعة إلكترونيات الطاقة لتلبية الطلب المتزايد باستمرار على الطاقة.

في الواقع، بعض الشركات الرائدة في صناعة SiC تستكشف أيضًا تكنولوجيا GaN بنشاط. في مارس من هذا العام، استحوذت شركة Infineon على شركة GaN Systems الكندية الناشئة مقابل 830 مليون دولار نقدًا. وبالمثل، عرضت ROHM مؤخرًا أحدث منتجاتها من SiC وGaN في PCIM Asia، مع التركيز بشكل خاص على أجهزة GaN HEMT الخاصة بعلامتها التجارية EcoGaN. على العكس من ذلك، في أغسطس 2022، استحوذت شركة Navitas Semiconductor، التي ركزت في الأصل على تقنية GaN، على شركة GeneSiC، لتصبح الشركة الوحيدة المخصصة لمحفظة أشباه موصلات الطاقة من الجيل التالي.

في الواقع، يُظهر GaN وSiC بعض التداخل في سيناريوهات الأداء والتطبيق. ولذلك، فمن الأهمية بمكان تقييم إمكانية تطبيق هاتين المادتين من منظور النظام. على الرغم من أن الشركات المصنعة المختلفة قد يكون لها وجهات نظرها الخاصة أثناء عملية البحث والتطوير، فمن الضروري تقييمها بشكل شامل من جوانب متعددة، بما في ذلك اتجاهات التطوير وتكاليف المواد والأداء وفرص التصميم.

ما هي الاتجاهات الرئيسية في صناعة إلكترونيات الطاقة التي تلبيها GaN؟

لم يختر جيم ويثام، الرئيس التنفيذي لشركة GaN Systems، التنحي مثل المديرين التنفيذيين الآخرين للشركات المستحوذة؛ وبدلاً من ذلك، يواصل الظهور العلني بشكل متكرر. مؤخرًا، في خطاب ألقاه، أكد على أهمية أشباه موصلات الطاقة GaN، مشيرًا إلى أن هذه التكنولوجيا ستساعد مصممي ومصنعي أنظمة الطاقة على معالجة ثلاثة اتجاهات رئيسية تعمل حاليًا على تحويل صناعة إلكترونيات الطاقة، حيث يلعب GaN دورًا حاسمًا في كل اتجاه.

الرئيس التنفيذي لأنظمة GaN جيم ويثام

أولا، مسألة كفاءة الطاقة. ومن المتوقع أن يرتفع الطلب العالمي على الطاقة بأكثر من 50% بحلول عام 2050، مما يجعل من الضروري تحسين كفاءة استخدام الطاقة وتسريع التحول إلى الطاقة المتجددة. لا يركز التحول الحالي على كفاءة استخدام الطاقة فحسب، بل يمتد أيضًا إلى جوانب أكثر تحديًا مثل استقلال الطاقة والتكامل مع شبكة الكهرباء الرئيسية. توفر تقنية GaN مزايا كبيرة في توفير الطاقة في تطبيقات الطاقة والتخزين. على سبيل المثال، يمكن لمحولات الطاقة الشمسية الدقيقة التي تستخدم GaN توليد المزيد من الكهرباء؛ يمكن لتطبيق GaN في تحويل AC-DC والمحولات أن يقلل من هدر الطاقة في أنظمة تخزين البطاريات بنسبة تصل إلى 50%.

ثانياً، عملية الكهرباء، خاصة في قطاع النقل. وكانت السيارات الكهربائية دائمًا محور هذا الاتجاه. ومع ذلك، فإن الكهرباء تتوسع لتشمل وسائل النقل ذات العجلتين والثلاث عجلات (مثل الدراجات والدراجات النارية وعربات الريكشا) في المناطق الحضرية ذات الكثافة السكانية العالية، وخاصة في آسيا. ومع نضوج هذه الأسواق، ستصبح مزايا ترانزستورات طاقة GaN أكثر بروزًا، وسيلعب GaN دورًا حاسمًا في تحسين نوعية الحياة وحماية البيئة.

وأخيرًا، يشهد العالم الرقمي تغيرات هائلة لتلبية متطلبات البيانات في الوقت الفعلي والتطور السريع للذكاء الاصطناعي. لا يمكن لتقنيات تحويل الطاقة وتوزيعها الحالية في مراكز البيانات مواكبة الطلبات المتزايدة بسرعة الناجمة عن الحوسبة السحابية والتعلم الآلي، وخاصة تطبيقات الذكاء الاصطناعي المتعطشة للطاقة. من خلال تحقيق توفير الطاقة، وتقليل متطلبات التبريد، وتعزيز فعالية التكلفة، تعمل تقنية GaN على إعادة تشكيل مشهد إمدادات الطاقة لمراكز البيانات. سيؤدي الجمع بين تقنية الذكاء الاصطناعي وتقنية GaN إلى خلق مستقبل أكثر كفاءة واستدامة وقوة لمراكز البيانات.

بصفته قائد أعمال ومدافعًا قويًا عن البيئة، يعتقد جيم ويثام أن التقدم السريع في تكنولوجيا GaN سيؤثر بشكل كبير على مختلف الصناعات المعتمدة على الطاقة وسيكون له آثار عميقة على الاقتصاد العالمي. ويتفق أيضًا مع توقعات السوق بأن إيرادات أشباه موصلات الطاقة GaN ستصل إلى 6 مليارات دولار خلال السنوات الخمس المقبلة، مشيرًا إلى أن تقنية GaN توفر مزايا وفرصًا فريدة في المنافسة مع SiC.

كيف يمكن مقارنة GaN بـ SiC من حيث الميزة التنافسية؟

في الماضي، كانت هناك بعض المفاهيم الخاطئة حول أشباه موصلات الطاقة GaN، حيث اعتقد الكثيرون أنها أكثر ملاءمة لتطبيقات الشحن في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. ومع ذلك، فإن التمييز الأساسي بين GaN وSiC يكمن في تطبيقات نطاق الجهد الخاص بهما. يعمل GaN بشكل أفضل في تطبيقات الجهد المنخفض والمتوسط، بينما يستخدم SiC بشكل أساسي في تطبيقات الجهد العالي التي تتجاوز 1200 فولت. ومع ذلك، فإن الاختيار بين هاتين المادتين ينطوي على مراعاة عوامل الجهد والأداء والتكلفة.

على سبيل المثال، في معرض PCIM Europe لعام 2023، عرضت GaN Systems حلول GaN التي أظهرت تطورات كبيرة في كثافة الطاقة وكفاءتها. بالمقارنة مع تصميمات ترانزستور SiC، حققت أجهزة الشحن المدمجة (OBC) المعتمدة على GaN بقدرة 11 كيلو وات/800 فولت زيادة بنسبة 36% في كثافة الطاقة وانخفاضًا بنسبة 15% في تكاليف المواد. يدمج هذا التصميم أيضًا طوبولوجيا مكثف طيران ثلاثي المستويات في تكوين PFC بدون جسر وتقنية الجسر النشط المزدوج، مما يقلل من إجهاد الجهد بنسبة 50% باستخدام ترانزستورات GaN.

في التطبيقات الرئيسية الثلاثة للسيارات الكهربائية - أجهزة الشحن المدمجة (OBC)، ومحولات DC-DC، وعاكسات الجر - تعاونت GaN Systems مع Toyota لتطوير نموذج أولي لسيارة تعمل بالكامل بـ GaN، وقدمت حلول OBC جاهزة للإنتاج لشركة EV الأمريكية الناشئة. Canoo، ودخلت في شراكة مع Vitesco Technologies لتطوير محولات GaN DC-DC لأنظمة الطاقة 400 فولت و800 فولت EV، مما يوفر المزيد من الخيارات لشركات صناعة السيارات.

يعتقد جيم ويثام أن العملاء الذين يعتمدون حاليًا على SiC من المرجح أن يتحولوا بسرعة إلى GaN لسببين: التوفر المحدود للمواد وارتفاع تكلفتها. مع زيادة الطلب على الطاقة عبر مختلف الصناعات، من مراكز البيانات إلى السيارات، فإن الانتقال المبكر إلى تقنية GaN سيمكن هذه المؤسسات من تقليل الوقت اللازم للحاق بالمنافسين في المستقبل.

من منظور سلسلة التوريد، يعد SiC أكثر تكلفة ويواجه قيودًا على العرض مقارنةً بـ GaN. وبما أنه يتم إنتاج GaN على رقائق السيليكون، فإن سعره ينخفض ​​بسرعة مع زيادة الطلب في السوق، ويمكن التنبؤ بالسعر المستقبلي والقدرة التنافسية بشكل أكثر دقة. على العكس من ذلك، فإن العدد المحدود من موردي SiC والمهل الزمنية الطويلة، التي تصل عادةً إلى عام، يمكن أن يؤدي إلى زيادة التكاليف والتأثير على الطلب على تصنيع السيارات بعد عام 2025.

فيما يتعلق بقابلية التوسع، فإن GaN قابل للتطوير "بشكل لا نهائي" تقريبًا لأنه يمكن تصنيعه على رقائق السيليكون باستخدام نفس المعدات مثل مليارات أجهزة CMOS. يمكن قريبًا إنتاج GaN على رقائق مقاس 8 بوصة، و12 بوصة، وحتى 15 بوصة، في حين يتم تصنيع وحدات SiC MOSFET عادةً على رقائق مقاس 4 بوصة أو 6 بوصة، وقد بدأت للتو في الانتقال إلى رقائق مقاس 8 بوصة.

من حيث الأداء الفني، يعد GaN حاليًا أسرع جهاز لتحويل الطاقة في العالم، حيث يوفر كثافة طاقة أعلى وكفاءة إخراج أعلى من أجهزة أشباه الموصلات الأخرى. وهذا يجلب فوائد كبيرة للمستهلكين والشركات، سواء في أحجام الأجهزة الأصغر، أو سرعات الشحن الأسرع، أو تقليل تكاليف التبريد واستهلاك الطاقة لمراكز البيانات. يعرض GaN مزايا هائلة.

تُظهر الأنظمة المبنية باستخدام GaN كثافة طاقة أعلى بكثير مقارنةً بـ SiC. مع انتشار اعتماد GaN، تظهر باستمرار منتجات أنظمة الطاقة الجديدة ذات الأحجام الأصغر، في حين لا يمكن لـ SiC تحقيق نفس المستوى من التصغير. وفقًا لشركة GaN Systems، فإن أداء أجهزتها من الجيل الأول قد تجاوز بالفعل أداء أحدث أجهزة أشباه الموصلات من الجيل الخامس من SiC. ومع تحسن أداء GaN بمقدار 5 إلى 10 مرات على المدى القصير، فمن المتوقع أن تتسع فجوة الأداء هذه.

بالإضافة إلى ذلك، تمتلك أجهزة GaN مزايا كبيرة مثل شحن البوابة المنخفض، والاسترداد العكسي الصفري، وسعة الإخراج المسطحة، مما يتيح أداء تحويل عالي الجودة. في تطبيقات الجهد المتوسط ​​إلى المنخفض التي تقل عن 1200 فولت، تكون خسائر تحويل GaN أقل بثلاث مرات على الأقل من SiC. من منظور التردد، تعمل معظم التصميمات القائمة على السيليكون حاليًا بين 60 كيلو هرتز و300 كيلو هرتز. على الرغم من تحسن تردد SiC، إلا أن تحسينات GaN كانت أكثر وضوحًا، حيث وصلت إلى 500 كيلو هرتز وترددات أعلى.

نظرًا لأن SiC يستخدم عادةً لجهد 1200 فولت وجهد أعلى مع عدد قليل فقط من المنتجات المناسبة لجهد 650 فولت، فإن تطبيقه محدود في تصميمات معينة، مثل الإلكترونيات الاستهلاكية 30-40 فولت، والمركبات الهجينة 48 فولت، ومراكز البيانات، وكلها أسواق مهمة. ولذلك، فإن دور SiC في هذه الأسواق محدود. من ناحية أخرى، يتفوق GaN في مستويات الجهد هذه، مما يقدم مساهمات كبيرة في مراكز البيانات، والإلكترونيات الاستهلاكية، والطاقة المتجددة، والسيارات، والقطاعات الصناعية.

لمساعدة المهندسين على فهم اختلافات الأداء بين GaN FETs (ترانزستورات التأثير الميداني) وSiC بشكل أفضل، صممت GaN Systems اثنين من مصادر الطاقة بقدرة 650 فولت و15 أمبير باستخدام SiC وGaN على التوالي، وأجرت اختبارات مقارنة تفصيلية.

GaN مقابل SiC مقارنة وجهاً لوجه

من خلال مقارنة GaN E-HEMT (ترانزستور الحركة الإلكترونية العالية المحسّن) مع SiC MOSFET الأفضل في فئته في تطبيقات التبديل عالية السرعة، فقد وجد أنه عند استخدامه في محولات DC-DC المتزامنة، فإن المحول مع GaN E- أظهر HEMT كفاءة أعلى بكثير من تلك التي مع SiC MOSFET. توضح هذه المقارنة بوضوح أن GaN E-HEMT يتفوق على أعلى SiC MOSFET في المقاييس الرئيسية مثل سرعة التبديل، والسعة الطفيلية، وفقد التبديل، والأداء الحراري. بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع SiC، يُظهر GaN E-HEMT مزايا كبيرة في تحقيق تصميمات محولات طاقة أكثر إحكاما وكفاءة.

لماذا يمكن أن يتفوق GaN في الأداء على SiC في ظل ظروف معينة؟

اليوم، وصلت تكنولوجيا السيليكون التقليدية إلى حدودها ولا يمكنها تقديم المزايا العديدة التي تمتلكها GaN، في حين يقتصر تطبيق SiC على سيناريوهات استخدام محددة. يشير مصطلح "في ظل ظروف معينة" إلى القيود المفروضة على هذه المواد في تطبيقات محددة. في عالم يعتمد بشكل متزايد على الكهرباء، لا تعمل شبكة GaN على تحسين إمدادات المنتجات الحالية فحسب، بل تعمل أيضًا على إنشاء حلول مبتكرة تساعد الشركات على الحفاظ على قدرتها التنافسية.

مع انتقال أشباه موصلات الطاقة من GaN من التبني المبكر إلى الإنتاج الضخم، فإن المهمة الأساسية لصناع القرار في مجال الأعمال هي إدراك أن أشباه موصلات الطاقة من GaN يمكن أن تقدم مستوى أعلى من الأداء العام. وهذا لا يساعد العملاء على زيادة حصتهم في السوق وربحيتهم فحسب، بل يقلل أيضًا من تكاليف التشغيل والنفقات الرأسمالية بشكل فعال.

في سبتمبر من هذا العام، أطلقت Infineon وGaN Systems معًا منصة جديدة من الجيل الرابع من Gallium Nitride (Gen 4 GaN Power Platform). من مصدر طاقة خادم AI بقدرة 3.2 كيلووات في عام 2022 إلى منصة الجيل الرابع الحالية، لا تتجاوز كفاءته معيار كفاءة 80 Plus Titanium فحسب، بل زادت كثافة الطاقة أيضًا من 100 وات/بوصة مكعبة إلى 120 وات/بوصة مكعبة. لا تضع هذه المنصة معايير جديدة في كفاءة الطاقة والحجم فحسب، بل توفر أيضًا أداءً فائقًا بشكل ملحوظ.

باختصار، سواء كانت شركات SiC تستحوذ على شركات GaN أو شركات GaN التي تستحوذ على شركات SiC، فإن الدافع الأساسي هو توسيع مجالات السوق والتطبيقات الخاصة بها. بعد كل شيء، ينتمي كل من GaN وSiC إلى مواد ذات فجوة نطاق واسعة (WBG)، وستظهر تدريجيًا مواد أشباه الموصلات من الجيل الرابع المستقبلية مثل أكسيد الغاليوم (Ga2O3) والأنتيمونيدات، مما يخلق نظامًا بيئيًا تكنولوجيًا متنوعًا. ولذلك، فإن هذه المواد لا تحل محل بعضها البعض، بل تعمل بشكل جماعي على دفع نمو الصناعة.**