GaN과 SiC: 공존인가 대체인가?

더 높은 전력 밀도와 효율성에 대한 추진은 데이터 센터, 재생 에너지, 가전제품, 전기 자동차, 자율 주행 기술을 비롯한 여러 산업 전반에 걸쳐 혁신의 주요 동인이 되었습니다. WBG(와이드 밴드갭) 소재 영역에서 질화갈륨(GaN)과 탄화규소(SiC)는 현재 두 가지 핵심 플랫폼으로, 전력 반도체 혁신을 이끄는 중추적인 도구로 간주됩니다. 이러한 재료는 끊임없이 증가하는 전력 수요를 해결하기 위해 전력 전자 산업을 근본적으로 변화시키고 있습니다.

실제로 SiC 업계의 일부 선도 기업들도 GaN 기술을 적극적으로 탐색하고 있습니다. 올해 3월 인피니언은 캐나다 GaN 스타트업 GaN Systems를 현금 8억 3천만 달러에 인수했습니다. 마찬가지로 ROHM은 최근 PCIM 아시아에서 최신 SiC 및 GaN 제품을 선보였으며 특히 EcoGaN 브랜드의 GaN HEMT 장치에 중점을 두었습니다. 반대로 2022년 8월 원래 GaN 기술에 주력했던 나비타스 세미컨덕터(Navitas Semiconductor)는 GeneSiC를 인수하여 차세대 전력 반도체 포트폴리오에 전념하는 유일한 회사가 되었습니다.

실제로 GaN과 SiC는 성능과 애플리케이션 시나리오에서 일부 중복되는 모습을 보입니다. 따라서 시스템 관점에서 이 두 재료의 응용 가능성을 평가하는 것이 중요합니다. R&D 과정에서 제조업체마다 고유한 관점이 있을 수 있지만 개발 동향, 재료 비용, 성능, 설계 기회 등 다양한 측면에서 이를 종합적으로 평가하는 것이 중요합니다.

GaN이 충족하는 전력전자 산업의 주요 동향은 무엇입니까?

GaN Systems의 CEO인 Jim Witham은 인수된 회사의 다른 임원들처럼 물러나는 것을 선택하지 않았습니다. 대신 그는 계속해서 공개적으로 자주 모습을 드러냅니다. 최근 한 연설에서 그는 GaN 전력 반도체의 중요성을 강조하면서 이 기술이 전력 시스템 설계자와 제조업체가 현재 전력 전자 산업을 변화시키고 있는 세 가지 주요 추세를 해결하는 데 도움이 될 것이며 GaN은 각 추세에서 중요한 역할을 한다고 언급했습니다.

GaN 시스템 CEO 짐 위덤(Jim Witham)

첫째, 에너지 효율 문제이다. 2050년까지 전 세계 전력 수요가 50% 이상 급증할 것으로 예상되므로 에너지 효율을 최적화하고 재생에너지로의 전환을 가속화하는 것이 필수적입니다. 현재의 전환은 에너지 효율성에 초점을 맞출 뿐만 아니라 에너지 독립 및 주류 전력망과의 통합과 같은 보다 어려운 측면까지 확장됩니다. GaN 기술은 에너지 및 스토리지 애플리케이션에서 상당한 에너지 절약 이점을 제공합니다. 예를 들어, GaN을 사용하는 태양광 마이크로인버터는 더 많은 전기를 생산할 수 있습니다. AC-DC 변환 및 인버터에 GaN을 적용하면 배터리 저장 시스템의 에너지 낭비를 최대 50%까지 줄일 수 있습니다.

둘째, 특히 운송 부문의 전기화 프로세스입니다. 전기 자동차는 항상 이러한 추세의 초점이었습니다. 그러나 아시아를 중심으로 인구밀도가 높은 도시 지역에서는 이륜 및 삼륜 이동수단(자전거, 오토바이, 인력거 등)으로 전동화가 확대되고 있습니다. 이러한 시장이 성숙해짐에 따라 GaN 전력 트랜지스터의 장점은 더욱 부각될 것이며 GaN은 삶의 질을 향상하고 환경을 보호하는 데 중요한 역할을 하게 될 것입니다.

마지막으로, 디지털 세계는 실시간 데이터 수요와 인공지능(AI)의 급속한 발전을 충족하기 위해 엄청난 변화를 겪고 있습니다. 데이터 센터의 현재 전력 변환 및 분배 기술은 클라우드 컴퓨팅 및 기계 학습, 특히 전력 소모가 많은 AI 애플리케이션으로 인해 급격히 증가하는 수요를 따라잡을 수 없습니다. GaN 기술은 에너지 절약, 냉각 요구 사항 감소, 비용 효율성 향상을 통해 데이터 센터의 전원 공급 장치 환경을 재편하고 있습니다. 생성적 AI와 GaN 기술의 결합은 데이터 센터를 위한 보다 효율적이고 지속 가능하며 견고한 미래를 만들 것입니다.

비즈니스 리더이자 확고한 환경 옹호자인 Jim Witham은 GaN 기술의 급속한 발전이 다양한 전력 의존 산업에 큰 영향을 미치고 세계 경제에 심오한 영향을 미칠 것이라고 믿습니다. 그는 또한 GaN 전력 반도체 수익이 향후 5년 내에 60억 달러에 이를 것이라는 시장 예측에 동의하며 GaN 기술이 SiC와의 경쟁에서 독특한 이점과 기회를 제공한다고 지적했습니다.

경쟁 우위 측면에서 GaN은 SiC와 어떻게 비교됩니까?

과거에는 GaN 전력 반도체에 대해 몇 가지 오해가 있었으며 많은 사람들은 GaN이 가전제품의 충전 애플리케이션에 더 적합하다고 믿었습니다. 그러나 GaN과 SiC의 주요 차이점은 전압 범위 애플리케이션에 있습니다. GaN은 저전압 및 중전압 애플리케이션에서 더 나은 성능을 발휘하는 반면 SiC는 주로 1200V를 초과하는 고전압 애플리케이션에 사용됩니다. 그럼에도 불구하고 이 두 재료 사이의 선택에는 전압, 성능 및 비용 요소를 고려하는 것이 포함됩니다.

예를 들어, 2023년 PCIM 유럽 전시회에서 GaN Systems는 전력 밀도와 효율성이 크게 향상된 GaN 솔루션을 선보였습니다. SiC 트랜지스터 설계와 비교하여 GaN 기반 11kW/800V 온보드 충전기(OBC)는 전력 밀도를 36% 높이고 재료비를 15% 절감했습니다. 또한 이 설계는 브리지리스 토템폴 PFC 구성의 3레벨 플라잉 커패시터 토폴로지와 듀얼 액티브 브리지 기술을 통합하여 GaN 트랜지스터를 사용하여 전압 스트레스를 50% 줄입니다.

온보드 충전기(OBC), DC-DC 컨버터, 트랙션 인버터 등 전기 자동차의 세 가지 주요 애플리케이션에서 GaN Systems는 Toyota와 협력하여 전체 GaN 자동차 프로토타입을 개발하고 미국 EV 스타트업에 즉시 생산 가능한 OBC 솔루션을 제공했습니다. Canoo는 Vitesco Technologies와 제휴하여 400V 및 800V EV 전력 시스템용 GaN DC-DC 컨버터를 개발하여 자동차 제조업체에 더 많은 선택권을 제공합니다.

Jim Witham은 현재 SiC에 의존하고 있는 고객이 제한된 가용성과 높은 재료 비용이라는 두 가지 이유로 GaN으로 빠르게 전환할 가능성이 있다고 믿습니다. 데이터 센터에서 자동차에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 전력 수요가 증가함에 따라 GaN 기술로의 조기 전환을 통해 기업은 향후 경쟁사를 따라잡는 데 필요한 시간을 단축할 수 있습니다.

공급망 관점에서 볼 때 SiC는 GaN에 비해 가격이 더 비싸고 공급 제약에 직면해 있습니다. GaN은 실리콘 웨이퍼에서 생산되기 때문에 시장 수요가 증가함에 따라 가격이 급격하게 하락하며, 향후 가격과 경쟁력을 보다 정확하게 예측할 수 있습니다. 반대로, 제한된 수의 SiC 공급업체와 긴 리드 타임(일반적으로 최대 1년)으로 인해 비용이 증가하고 2025년 이후 자동차 제조 수요에 영향을 미칠 수 있습니다.

확장성 측면에서 GaN은 수십억 개의 CMOS 장치와 동일한 장비를 사용하여 실리콘 웨이퍼에서 제조할 수 있기 때문에 거의 "무한" 확장 가능합니다. GaN은 곧 8인치, 12인치, 심지어 15인치 웨이퍼에서도 생산될 수 있는 반면, SiC MOSFET은 일반적으로 4인치 또는 6인치 웨이퍼에서 제조되며 이제 막 8인치 웨이퍼로 전환하기 시작했습니다.

기술적 성능 측면에서 GaN은 현재 세계에서 가장 빠른 전력 스위칭 장치로, 다른 반도체 장치보다 더 높은 전력 밀도와 출력 효율을 제공합니다. 이는 더 작은 장치 크기, 더 빠른 충전 속도, 데이터 센터의 냉각 비용 및 에너지 소비 감소 등 소비자와 기업에 상당한 이점을 제공합니다. GaN은 엄청난 이점을 보여줍니다.

GaN으로 구축된 시스템은 SiC에 비해 훨씬 더 높은 전력 밀도를 보여줍니다. GaN 채택이 확산됨에 따라 더 작은 크기의 새로운 전력 시스템 제품이 지속적으로 등장하는 반면, SiC는 동일한 수준의 소형화를 달성할 수 없습니다. GaN Systems에 따르면 1세대 장치의 성능은 이미 최신 5세대 SiC 반도체 장치의 성능을 능가했습니다. GaN 성능이 단기적으로 5~10배 향상되면서 이러한 성능 격차는 더욱 벌어질 것으로 예상된다.

또한 GaN 장치는 낮은 게이트 전하, 제로 역회복, 평탄한 출력 정전 용량과 같은 상당한 이점을 갖고 있어 고품질 스위칭 성능을 가능하게 합니다. 1200V 미만의 중저전압 애플리케이션에서 GaN의 스위칭 손실은 SiC보다 최소 3배 낮습니다. 주파수 관점에서 볼 때 대부분의 실리콘 기반 설계는 현재 60kHz~300kHz 사이에서 작동합니다. SiC는 주파수가 향상되었지만 GaN의 향상은 더욱 두드러져 500kHz 이상의 주파수를 달성합니다.

SiC는 일반적으로 1200V 이상 전압에 사용되며 650V에 적합한 제품이 소수 있기 때문에 중요한 시장인 30~40V 가전제품, 48V 하이브리드 차량, 데이터 센터 등 특정 설계에 적용이 제한됩니다. 따라서 이러한 시장에서 SiC의 역할은 제한적입니다. 반면 GaN은 이러한 전압 수준에서 탁월하여 데이터 센터, 가전제품, 재생 에너지, 자동차 및 산업 분야에서 상당한 기여를 합니다.

엔지니어가 GaN FET(전계 효과 트랜지스터)와 SiC의 성능 차이를 더 잘 이해할 수 있도록 GaN 시스템은 각각 SiC와 GaN을 사용하여 2개의 650V, 15A 전원 공급 장치를 설계하고 자세한 비교 테스트를 수행했습니다.

GaN과 SiC의 정면 비교

고속 스위칭 애플리케이션에서 GaN E-HEMT(Enhanced High Electron Mobility Transistor)와 동급 최고의 SiC MOSFET을 비교한 결과, 동기식 벅 DC-DC 컨버터에 사용될 때 GaN E- HEMT는 SiC MOSFET을 사용한 것보다 훨씬 더 높은 효율을 나타냈습니다. 이 비교는 GaN E-HEMT가 스위칭 속도, 기생 용량, 스위칭 손실 및 열 성능과 같은 주요 지표에서 최고 SiC MOSFET보다 성능이 우수하다는 것을 분명히 보여줍니다. 또한 SiC와 비교하여 GaN E-HEMT는 보다 작고 효율적인 전력 변환기 설계를 달성하는 데 상당한 이점을 보여줍니다.

GaN이 특정 조건에서 SiC보다 잠재적으로 성능이 뛰어난 이유는 무엇입니까?

오늘날 전통적인 실리콘 기술은 한계에 도달했으며 GaN이 가지고 있는 수많은 이점을 제공할 수 없습니다. 반면 SiC의 적용은 특정 사용 시나리오로 제한됩니다. "특정 조건 하에서"라는 용어는 특정 응용 분야에서 이러한 재료의 한계를 나타냅니다. 점점 더 전기에 의존하는 세상에서 GaN은 기존 제품 공급을 개선할 뿐만 아니라 기업의 경쟁력을 유지하는 데 도움이 되는 혁신적인 솔루션을 만듭니다.

GaN 전력 반도체가 초기 채택에서 대량 생산으로 전환됨에 따라 비즈니스 의사 결정자의 주요 임무는 GaN 전력 반도체가 더 높은 수준의 전체 성능을 제공할 수 있다는 것을 인식하는 것입니다. 이는 고객이 시장 점유율과 수익성을 높이는 데 도움이 될 뿐만 아니라 운영 비용과 자본 지출을 효과적으로 줄이는 데도 도움이 됩니다.

올해 9월 인피니언과 GaN 시스템즈는 새로운 4세대 질화갈륨 플랫폼(Gen 4 GaN Power Platform)을 공동 출시했습니다. 2022년 3.2kW AI 서버 전원 공급 장치부터 현재 4세대 플랫폼까지, 효율성은 80 Plus Titanium 효율성 표준을 능가할 뿐만 아니라 전력 밀도도 100W/in3에서 120W/in3으로 높아졌습니다. 이 플랫폼은 에너지 효율성과 크기 측면에서 새로운 기준을 제시할 뿐만 아니라 훨씬 뛰어난 성능도 제공합니다.

요약하면, SiC 기업이 GaN 기업을 인수하든, GaN 기업이 SiC 기업을 인수하든, 근본적인 동기는 시장과 응용 분야를 확대하는 것입니다. 결국 GaN과 SiC는 모두 WBG(와이드 밴드갭) 소재에 속하며, 산화갈륨(Ga2O3), 안티몬화물 등 미래 4세대 반도체 소재가 점차 등장해 다각화된 기술 생태계를 만들어갈 것이다. 따라서 이들 소재는 서로를 대체하는 것이 아니라 집합적으로 산업 성장을 주도합니다.**