Ожидается, что в ближайшие десять лет спрос на силовую электронику будет быстро расти, в основном за счет спроса на электромобили (EV) и центры обработки данных. По прогнозам IDTechEx, к 2036 году рынок силовой электроники вырастет до 65,2 млрд долларов США, что соответствует среднегодовому темпу роста в 10% за прогнозируемый период.
На рынке силовой электроники производители стремятся повысить эффективность, стабильность и удельную мощность своих компонентов. Все чаще для этого используются полупроводники с широкой запрещенной зоной (ШЗЗ): карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Эти технологии способны произвести революцию в индустрии силовой электроники, обеспечив возможность работы с высоким напряжением и создание новых силовых архитектур, таких как электронная силовая установка на 800 В в электромобилях и центры обработки данных на 800 В постоянного тока.
В отчете IDTechEx «Рынок силовой электроники 2026–2036: центры обработки данных, электромобили и возобновляемые источники энергии» приводятся сравнительные характеристики кремния, карбида кремния, нитрида галлия и полупроводников со сверхширокой запрещенной зоной (UWBG), а также алмазов, оксида галлия (Ga2O3) и нитрида алюминия. В отчете рассматриваются преимущества каждого полупроводникового материала в таких отраслях, как производство электромобилей, центров обработки данных и возобновляемых источников энергии, а также препятствия на пути внедрения и технологические инновации. Отчет содержит подробные прогнозы с указанием мощности (ГВт) и объема рынка (в долларах США) с разбивкой по сферам применения (электромобили, центры обработки данных и ветроэнергетика) и полупроводниковым технологиям (кремний, карбид кремния, нитрид галлия).
Наиболее очевидное различие между кремнием, карбидом кремния, нитридом галлия и ультраширокозонными полупроводниками на уровне материалов — это ширина запрещенной зоны. Она напрямую влияет на важнейшие свойства материалов, такие как критическое поле пробоя, определяющее максимальное напряжение, при котором могут безопасно работать силовые полупроводники. Чем выше критическое поле пробоя, тем выше может быть напряжение, при котором работает полупроводник, или, наоборот, при том же напряжении можно использовать дрейфовый слой меньшего размера, что минимизирует форм-фактор и сопротивление в открытом состоянии. Однако при оценке полупроводниковых материалов важны и другие показатели. Подвижность электронов и дрейфовая скорость влияют на характеристики переключения устройства, что, в свою очередь, влияет на частоту переключения силового транзистора. Однако стоит отметить, что ключевую роль здесь играет и архитектура устройства. Например, транзисторы с высокой подвижностью электронов (high-electron-mobility transistor, HEMT) на основе нитрида галлия обеспечивают высокую частоту переключения порядка МГц.
Поскольку терморегуляция играет важнейшую роль в проектировании систем, тепловые свойства полупроводниковых материалов также являются важным фактором. С учетом особенностей материалов и устройств, карбид кремния может стать достойной заменой кремнию в областях применения, требующих высокого напряжения, а нитрид галлия особенно хорошо подходит для областей применения с низким энергопотреблением и быстрым переключением. Свойства некоторых материалов с широкой запрещенной зоной представляют большой интерес. В частности, алмаз с его большой шириной запрещенной зоны, высокими характеристиками переключения и исключительной теплопроводностью может стать «идеальным» силовым полупроводником, по крайней мере теоретически.
Ожидается, что в ближайшие десять лет нитрид галлия также получит значительное развитие благодаря таким ключевым событиям, как коммерциализация 300-миллиметровых пластин GaN-on-Si и разработка технологии вертикального нитрида галлия (vGaN) для высоковольтных устройств на основе GaN. По прогнозам IDTechEx, в течение прогнозируемого периода объем мирового производства GaN увеличится, а стоимость нитрида галлия снизится, при этом цены на пластины GaN приблизятся к ценам на кремний. Поскольку области применения, доступные для GaN и SiC, все больше пересекаются, IDTechEx ожидает, что рынок силовой электроники GaN значительно вырастет в прогнозируемый период
Цепочка поставок силовой электроники сложна и включает в себя как высокодиверсифицированных производителей первого уровня, так и производителей пластин из одного материала. В последние годы рынок карбида кремния претерпел значительные изменения, вызванные агрессивной конкуренцией между китайскими производителями карбида кремния. В результате цена на пластины из карбида кремния резко снизилась, что привело к проблемам с избытком предложения.
Одним из самых популярных направлений в силовой электронике в последнее время являются центры обработки данных, особенно для обучения искусственному интеллекту. Для серверов следующего поколения требуется полностью изменить архитектуру питания, перейдя от преобразования переменного тока в постоянный на уровне стойки к «дополняющей» архитектуре, обеспечивающей подачу 800 В постоянного тока на стойку. Со временем на смену ей придет «родная» архитектура с напряжением 800 В постоянного тока, при которой напряжение сети будет понижаться до 800 В постоянного тока с помощью полупроводниковых трансформаторов, а затем распределяться по центру обработки данных. Ожидается, что это значительно повысит эффективность, но главная причина — необходимость: существующая архитектура электропитания просто не сможет обеспечить мощность, необходимую для серверов Vera Rubin Ultra от Nvidia и более мощных моделей.
В электромобилях переход на силовую установку с напряжением 800 В стал ключевым фактором для внедрения технологий с широкой запрещенной зоной, где преимущества карбида кремния по сравнению с традиционной кремниевой технологией были очевидны и оправдывали более высокую стоимость многих высокопроизводительных моделей. В центрах обработки данных аналогичные факторы стимулируют внедрение технологий с широкой запрещенной зоной, особенно на основе нитрида галлия. В низковольтной части (преобразование 800 В постоянного тока в 50 В, 12 В или 6 В) ключевыми факторами являются эффективность и миниатюризация. Сверхбыстрое переключение GaN позволяет уменьшить размер пассивных компонентов (индукторов, конденсаторов и т. д.) и, соответственно, общую занимаемую площадь устройства. Поскольку стремление сохранить как можно больше места для вычислительных компонентов является приоритетом, размер устройства — критически важный показатель, способствующий коммерциализации GaN. Что касается высоковольтных устройств, то в твердотельных трансформаторах, скорее всего, будет использоваться технология карбида кремния, где отдельные МОП-транзисторы теперь могут работать при напряжении 10 кВ.
Карбид кремния и нитрид галлия, безусловно, доминируют в заголовках новостей, если не на всем рынке (по прогнозам IDTechEx, к 2036 году карбид кремния станет доминирующим материалом для силовых полупроводников). Однако рынок силовых полупроводников на основе кремния остается сильным и стабильным. Один из примеров, когда игроки не спешат переходить на полупроводники с широкой запрещенной зоной, — это возобновляемые источники энергии, в частности ветряные турбины. Это особенно актуально для морских ветрогенераторов, где ремонт в случае неисправности компонентов обойдется очень дорого. Преимущества миниатюризации также не так важны по сравнению с другими отраслями. Наконец, ветроэнергетика очень чувствительна к затратам; во многих случаях дополнительные расходы, связанные с использованием карбида кремния, слишком высоки. В совокупности это привело к гораздо более медленному отказу от традиционных кремниевых технологий. Однако сейчас начинают появляться первые примеры сотрудничества, например между компаниями Wolfspeed и Hopewind, что говорит о том, что технология карбида кремния стала достаточно зрелой для использования даже в этих более консервативных отраслях. Эта зрелость во многом обусловлена научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими разработками в сфере производства электромобилей, что подчеркивает межотраслевой характер рынка силовой электроники.
Сверхшироким запрещенным зонам до сих пор уделялось гораздо меньше внимания, чем их аналогам с широкой запрещенной зоной, и они находятся на более ранней стадии разработки: для ограниченного числа материалов доступны лишь ранние прототипы устройств. IDTechEx проводит SWOT-анализ полупроводниковых материалов со сверхширокими запрещенными зонами и поддерживает контакты с ключевыми игроками в области трех основных материалов со сверхширокими запрещенными зонами: Ga2O3, AlN и алмаза.
Несмотря на то, что все три материала потенциально могут иметь преимущества перед существующими аналогами, особенно в том, что касается работы при высоком напряжении или в экстремальных условиях, у всех трех есть свои недостатки. Ga2O3 обладает очень низкой теплопроводностью, эффективное легирование AlN оказалось непростой задачей (хотя эффективным решением здесь могло бы стать поляризационное легирование), а эффективный рост монокристаллического алмаза до размеров пластин, подходящих для коммерческой силовой электроники, оказался сложной и дорогостоящей задачей. У каждого из них есть свои ключевые коммерческие преимущества: относительно простое производство Ga2O3 из расплава, возможность коммерциализации AlN через оптоэлектронику и превосходные свойства алмаза. Таким образом, пока неясно, какой материал «выиграет» гонку за создание универсального материала для защиты от ультрафиолетового излучения. Однако очевидно, что всем трем материалам еще далеко до масштабной коммерциализации. Ga2O3, с прототипами устройств, возможно, наиболее перспективен, но даже игроки в этой сфере не ожидают его коммерциализации в ближайшие пять лет. Также очевидно, что более высокая стоимость, которая, несомненно, будет связана с этими материалами, не позволит им вытеснить материалы с широкой запрещенной зоной. Скорее всего, они будут дополнять материалы с широкой запрещенной зоной в экстремальных и нишевых областях применения, например в аэрокосмической отрасли, где улучшение характеристик оправдывает более высокую стоимость.