IDTechEx analiza el tentador potencial de GaN en la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos
A medida que la electrónica de potencia de los vehículos eléctricos (EV) experimenta un cambio de paradigma hacia los semiconductores de banda prohibida ancha (WBG), está claro que el carburo de silicio (SiC) se está convirtiendo en el material elegido, mientras que el nitruro de galio (GaN) a menudo se incluye en aplicaciones de telecomunicaciones u optoelectrónica. En parte, esto se debe a que SiC tiene la mayor conductividad térmica (de Si y GaN), lo que naturalmente se presta a la operación de alta temperatura, potencia y voltaje típica de un EV. Sin embargo, GaN aún puede lograr el doble de la conductividad térmica del Si y es superior al SiC en casi todas las demás métricas, desde la movilidad y eficiencia de los electrones hasta el voltaje de ruptura.
Propiedades materiales de GaN y SiC en relación con Si. Fuente: IDTechEx
El problema es que los dispositivos de energía de GaN hoy en día están operando dos órdenes de magnitud peor que las propiedades de sus materiales a granel, lo que refleja el tentador potencial. También hay mucho en juego, ya que los mercados de vehículos eléctricos crecen rápidamente y los fabricantes de equipos originales buscan mejorar la eficiencia del ciclo de manejo utilizando la electrónica de potencia WBG disponible comercialmente en la actualidad.
De hecho, el nuevo informe de IDTechEx " Electrónica de potencia para vehículos eléctricos 2023-2033 " cubre las tasas de adopción de SiC y GaN en inversores de vehículos eléctricos, cargadores a bordo (OBC) y convertidores. La entrada al mercado de GaN se prevé en un futuro próximo, y el informe muestra que el crecimiento interanual de SiC en los mercados de vehículos eléctricos alcanzará el 79 % en 2023, mientras que el mercado general de vehículos eléctricos tiene una CAGR del 15 % en los próximos diez años.
¿Qué impide que los dispositivos GaN accedan a este mercado? La barrera crucial es la calidad de producción del material, que depende del sustrato epitaxial: GaN, SiC o Si. Dado que la principal fuente de degradación del material son los desajustes entre el crecimiento epitaxial y el sustrato, el caso ideal es la homoepitaxia o GaN a granel (GaN-on-GaN). De hecho, el efecto dominó en el rendimiento cuando se utilizan sustratos basados en silicio se demuestra por los voltajes de bloqueo logrados. El GaN a granel es de 94 kV y el SiC es de 45 kV, pero el GaN-on-Si, en la producción actual en volumen, es de alrededor de ~1 kV debido a los desajustes, que es comparable al silicio a granel (Si). Para una visión holística de la cadena de suministro de semiconductores, el nuevo informe IDTechEx " Semiconductores para vehículos autónomos y eléctricos 2023-2033cubre las tendencias de semiconductores y la demanda de materiales para vehículos eléctricos, vehículos autónomos, sistemas de gestión de baterías (BMS), radar, Lidar, infoentretenimiento y más.
Como suele ocurrir con las tecnologías emergentes, la adopción de la mejor tecnología, en este caso, GaN-on-GaN, está limitada por el alto costo. Bulk GaN solo está disponible en tamaños de oblea pequeños, lo que contribuye a un costo de alrededor de 1000 veces mayor que Gan-on-Si. La siguiente mejor opción es Gan-on-SiC, que produce menos desajustes pero nuevamente tiene un costo de alrededor de dos órdenes de magnitud mayor. Al usar GaN para aplicaciones de alto voltaje, los inversores EV, por ejemplo, requieren mejorar los desajustes entre GaN-on-Si o lograr una producción de bajo costo de GaN a granel. Hasta que esto se logre, el SiC seguirá siendo la opción dominante para las aplicaciones WBG de alto voltaje.
Sin embargo, están surgiendo oportunidades e IDTechEx predice que los OBC y los convertidores serán el primer punto de entrada al mercado, con los plazos que se indican en el informe. Esto se debe a que los OBC y los convertidores funcionan con potencias mucho más bajas y la ventaja de eficiencia de los materiales WBG es un claro impulsor para una carga de CA más rápida o una carga interna de la batería de bajo voltaje (a través del convertidor).
Además, ha habido un progreso emocionante para GaN de alto voltaje en 2022 con la formación de nuevas asociaciones. VisIC Technologies, con sede en Israel , es uno para observar. La empresa desarrolla dispositivos de energía GaN para automóviles y se asoció con Hofer Powertrain, que utilizará su chip GaN de 650 V en un diseño de inversor EV de 800 V. Este es uno de los primeros ejemplos de la aplicación de la tecnología GaN a un inversor de alto voltaje y representa un comienzo prometedor. Dado que los ciclos de adopción automotriz suelen ser de alrededor de cuatro años, se está abriendo la puerta para la adopción de GaN de alto voltaje en los mercados de vehículos eléctricos, lo que brinda una nueva y enorme oportunidad de crecimiento para la industria.
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