SiC- en GaN-technologie in vermogenstoepassingen

Met vermogenscomponenten, die zijn gebaseerd op wide bandgap (WBG) materialen als SiC en GaN, kunnen toepassingen met hogere vermogensdichtheid en hoger rendement worden gerealiseerd dan met de ‘traditionele’ Si-halfgeleiders. Avnet Silica schetst de marktontwikkelingen en gaat ook in op de mondialesupply chain uitdagingen.

Verreweg de bekendste wide bandgap (WBG) materialen zijn siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN). Dat hebben ze te danken aan hun gunstige eigenschappen voor vermogenstoepassingen, die moeten dealen met aan de ene kant de behoefte aan steeds meer elektrisch vermogen (datacenters, EV) en aan de andere kant de wens/vereiste van energiezuinig en compact.

Bredere bandgap

De bredere bandgap dan bij Si betekent dat bij SiC en GaN elektronen meer energie moeten opnemen voordat ze naar een niveau kunnen gaan waar ze geleidend worden. Dat levert op materiaalniveau een tweetal voor vermogenstoepassingen essentiële voordelen op: een ongeveer tien keer zo hoge elektrische doorslagveldsterkte (ruim 3 MV/cm bij zowel SiC als GaN vs. 0,3 MV/cm bij Si) en met 5 W/cmK (SiC) en 2,7 W/cmK (GaN) een zeker voor SiC aanmerkelijk hogere thermische geleidbaarheid dan bij Si (1,5 W/cmK).

Op componentniveau leidt dat tot een lagere AAN-weerstand (R_DS(on)), wat op zijn beurt een lagere geleidingsweerstand mogelijk maakt. Dit betekent dat SiC- en GaN-componenten minder warmte afgeven dan Si-componenten en minder vermogensverlies hebben tijdens het geleiden. Hierdoor zijn ze geschikter voor toepassingen met hoge stroomsterkte. De R_DS(on) van met name SiC neemt ook minder toe met de temperatuur dan die van silicium. Andere gunstige karakteristieken op componentniveau zijn onder andere kortere uitschakeltijden, lagere capaciteit, waardoor sneller kan worden geschakeld met minder verliezen en lage poortlading, waardoor verliezen en dus het stroomverbruik worden verminderd.

Voordelen op PCB-niveau

SiC- en GaN-componenten bieden veel hogere schakelfrequenties dan silicium (met GaN tot wel 100 keer zo snel) bij gebruik bij hoge temperaturen en spanningen. De hogere doorslagspanning van deze componenten maakt hogere bedrijfsspanningen mogelijk. Ze kunnen ook worden toegepast voor ontwerpen met hogere stroomsterktes dan bij Si-componenten (met een tot wel vijf keer hogere stroomdichtheid), waardoor veel hogere vermogens realiseerbaar zijn. Er zijn bijvoorbeeld SiC MOSFET’s die zijn geclassificeerd voor maximaal 3,3 kV. In combinatie met de grotere thermische geleidbaarheid van met name SiC kunnen de SiC-componenten bij hogere temperaturen, tot ongeveer 150 ºC, worden gebruikt dan met Si, waarbij de grens ligt bij ongeveer 100 °C. In de regel kan met SiC bij hogere spanningen en hogere temperaturen worden gewerkt dan met GaN.

Voordelen op systeemniveau

Op systeemniveau komt de hogere efficiëntie van de SiC- en GaN-componenten naar voren in de vorm van minder energieverlies. Dit verlaagt zowel de hoeveelheid (en de kosten) van de gebruikte energie als de behoefte aan energieopslag. Een hoger rendement betekent ook minder warmteafvoer, wat het thermisch beheer vereenvoudigt. Hierdoor zijn er minder grote koellichamen en/of minder uitgebreide koel­infrastructuur nodig, waardoor compactere voedingssystemen kunnen worden ontworpen.

De hoge schakelfrequenties van deze componenten maken het gebruik van kleinere inductoren en condensatoren mogelijk, wat een hogere vermogensdichtheid en compactere systeemontwerpen mogelijk maakt. Dit is met name een uitkomst voor toepassingen waar ruimte en gewicht beperkende factoren zijn, zoals bij DC-laders en omvormers.

Snelle marktgroei

De hierboven beschreven voordelen van WBG-halfgeleiders voor vermogenstoepassingen resulteren in een dusdanig grote vraag naar deze technologie dat de markt voor WBG-vermogen-IC’s momenteel sneller groeit dan de markt voor Si-vermogen-IC’s. De marktonderzoekers van de Yole Group becijferen dat in 2029 bijna 10 miljard dollar wordt omgezet aan SiC-componenten en 2,25 miljard dollar aan GaN-componenten.

Toepassingen voor WBG-vermogen-IC’s zijn momenteel vooral datacenters, elektrische voertuigen, motoraandrijvingen en PV-omvormers. GaN wordt ook op grote schaal toegepast in toepassingen met lagere vermogens, zoals data- en telecommunicatie. Ook in de consumentenmarkt duiken ze steeds meer op. Denk daarbij aan voedingsadapters voor laptops en smartphones, waar de efficiëntie en compactheid van GaN sneller opladen mogelijk maken met een kleinere stekker.

Kansen in de automotive

Veel potentieel voor WBG-vermogen-IC’s, en dan met name voor SiC, ligt in de automotive waar de uitstekende efficiëntie WBG tot de technologie bij uitstek maakt voor laders en voor stroomomzetting aan boord van elektrische auto’s. Een betere efficiëntie betekent bij EV’s een grotere actieradius met dezelfde accu of dezelfde actieradius met een kleinere, lichtere en goedkopere accu. SiC biedt met zijn sterke prestaties bij hoge spanningen ook uitkomst voor de overstap in EV’s naar de 800V-architectuur om sneller opladen mogelijk te maken.

De energie-efficiëntie van SiC-componenten zal ook leiden tot een grote verbetering van de efficiëntie in het hele oplaadecosysteem, waardoor het elektriciteitsnet kan voldoen aan de eisen van een snel groeiend aantal EV’s. Dit omvat ook Vehicle-to-Grid (V2G)-toepassingen, waarmee voertuigen stroom kunnen terugleveren aan het net om te helpen voldoen aan piekvraag.

Lager energieverbruik in datacenters

De opkomst van AI stimuleert de vraag naar high performance computing (HPC) in datacenters. Datacenters verbruiken nu al ongeveer 1,5% van de wereldwijd opgewekte elektriciteit, een percentage dat naar verwachting nog aanzienlijk zal stijgen. Om dat nog enigszins binnen de perken te houden is het zaak om de energie-efficiëntie in de nu al wereldwijd meer dan 10.000 datacenters te verbeteren. Daarin kunnen WBG-componenten door ze te implementeren in datacenter-voedingen een positieve rol spelen.

Dynamiek in de toeleveringsketens

Ondanks de goed ontwikkelde mondiale toeleveringsketen zijn er met name in Noord-Amerika en Europa zorgen omtrent de afhankelijkheid van vooral China en Taiwan wat betreft de halfgeleiderproductie. Niet in de laatste plaats omdat er tijdens en vlak na de COVID-19-pandemie sprake was van een groot tekort aan halfgeleiders, met name voor de auto-industrie.

Om minder kwetsbaar te zijn voor verstoringen in de onderling verbonden toeleveringsketens zijn er in Noord-Amerika en Europa verschillende initiatieven van de grond gekomen om de binnenlandse productiecapaciteit voor halfgeleiders te stimuleren. In de Verenigde Staten zijn de ambities verreweg het hoogst. Waar in de periode van 2012 tot 2022 de fab-capaciteit met een luttele 11% groeide, moet die tussen nu en 2032 verdrievoudigen! Dat heeft ook zijn weerslag op de productie van WBG-halfgeleiders. Zo breidt het Taiwanese GlobalWafers zijn faciliteiten in Texas uit voor de productie van SiC-wafers. En in Tsjechië wil onsemi een SiC-productiefaciliteit gaan bouwen.

Grip op de keten

De mondiale dynamiek in de toeleveringsketens stelt de nodige uitdagingen aan supply chain management. Avnet Silica biedt verschillende diensten en tools om klanten hierin te ondersteunen. Vendor managed inventory (VMI) is een oplossing om tijd en kosten voor voorraadbeheer en -administratie te verminderen, waarbij je wel de zekerheid hebt dat de benodigde componenten op het juiste moment en in de juiste hoeveelheden worden aangevuld. Avnet houdt gegevens over prognoses, actuele voorraadniveaus en verbruik bij en bepaalt op basis daarvan de hoeveelheden en het tijdstip van aanvulling die nodig zijn om de productie soepel te laten verlopen.

Een andere oplossing is Kanban, een vraaggestuurd pull-systeem dat uitkomst biedt bij situaties waar de vraag lastig is te voorspellen. Onder de noemer ‘consignment’ biedt Avnet oplossingen die zo min mogelijk impact hebben op het werkkapitaal van de klant. Pas wanneer de componenten daadwerkelijk worden gebruikt, komen ze in eigendom van de klant. Op basis van nauwkeurige prognosegegevens vindt nauwkeurige en efficiënte levering plaats en worden doorlooptijden geminimaliseerd.