Fin de semana de investigación---Análisis superficial de la participación de SiC, GaN y MOSFET de silicio en la gran infraestructura de sistemas electrónicos de potencia impulsados por IA

La rápida construcción de centros de datos impulsada por IA está llevando a una gran actualización de la red eléctrica, haciendo que otro campo históricamente subestimado vuelva a estar en el centro del escenario: los semiconductores de potencia.
El núcleo del sistema eléctrico radica en controlar la corriente de manera eficiente.
Y el dispositivo más fundamental para controlar la corriente es el MOSFET (Transistor de Efecto Campo de Semiconductores de Óxido Metálico).
En las últimas décadas, casi todos los dispositivos de potencia en el mundo se basan en MOSFET de silicio.
El silicio es barato, maduro y cuenta con una cadena de suministro completa, por lo que ha dominado el sector durante mucho tiempo.
Pero con el aumento explosivo de la potencia en servidores IA, la entrada de vehículos eléctricos en la era de 800V, la evolución de centros de datos hacia altas tensiones y la demanda de fuentes de alimentación de alta frecuencia, el silicio tradicional comienza a alcanzar límites físicos.
Por eso, el SiC (carburo de silicio) y el GaN (nitruro de galio) están emergiendo.
El SiC se asemeja más a una ruta de industria pesada.
Su ventaja principal radica en altas tensiones y gran potencia.
El SiC tiene un voltaje de ruptura más alto y una capacidad de conducción térmica más fuerte, siendo claramente más eficiente que los IGBT de silicio tradicionales en escenarios de altas tensiones y altas corrientes.
Por lo tanto, en áreas como inversores principales de EV, inversores fotovoltaicos, almacenamiento de energía, accionamientos industriales de alta tensión, redes eléctricas y UPS de alta tensión, se está acelerando la adopción de SiC.
En particular, la plataforma de 800V impulsada por Tesla es esencialmente un punto de inflexión importante para la explosión de toda la industria de SiC.
En los últimos años, los vehículos de nueva energía han sido la mayor fuerza impulsora del SiC.
Empresas como Wolfspeed, onsemi, STMicroelectronics, Infineon Technologies, ROHM y Mitsubishi Electric se han beneficiado en este ciclo.
Pero el SiC no es perfecto.
En comparación con el GaN, generalmente tiene una velocidad de conmutación más lenta, mayor Qg, menor rendimiento en altas frecuencias y dificultad para reducir aún más los dispositivos magnéticos en altas frecuencias.
Por eso, el GaN ha tomado otro camino.
La verdadera fortaleza del GaN está en las altas frecuencias.
El GaN tiene Qg más bajo, menor capacidad de salida y casi no presenta problemas de recuperación inversa, por lo que es especialmente adecuado para fuentes de alimentación de corriente continua de alta frecuencia, alimentación de servidores IA, VRM de GPU, carga rápida de teléfonos, fuentes de alimentación de alta frecuencia y fuentes de energía compactas.
La IA podría ser realmente el gran ciclo del GaN.
Porque los centros de datos IA están impulsando toda la arquitectura de suministro de energía hacia altas frecuencias, altas corrientes, miniaturización y alta eficiencia.
Especialmente después de la arquitectura de 48V, muchas fuentes de alimentación DC-DC de alta frecuencia comienzan a convertirse en un cuello de botella, y ese es precisamente el área preferida del GaN.
Los racks de servidores tradicionales pueden tener solo 5-10 kW, pero ahora los racks IA ya están alcanzando 50 kW, 100 kW, y en el futuro incluso podrían acercarse a niveles de MW.
Los centros de datos IA están pasando de ser instalaciones de TI a convertirse en “infraestructura eléctrica”.
Y desde la red eléctrica hasta la GPU, se requiere atravesar muchas conversiones de energía: transmisión de alta tensión, transformadores, UPS, PSU, AC/DC, DC/DC, VRM, alimentación cercana a la GPU.
Cada conversión pierde energía.
Cuando un solo parque de IA comienza a consumir energía en GW, una mejora del 1% en eficiencia puede representar un valor económico enorme.
Por eso, los semiconductores de potencia están dejando de ser un simple componente para convertirse en un cuello de botella central.
El GaN, por tanto, está entrando en gran cantidad en las fuentes de alimentación de servidores IA, DC/DC de alta frecuencia, VRM de GPU y módulos de alimentación.
Muchos sistemas incluso combinan “SiC + GaN”.
El núcleo de alta tensión usa SiC, y la parte de alta frecuencia usa GaN.
En los centros de datos, la parte de alta tensión de la red eléctrica a la infraestructura de datos es más adecuada para SiC.
La alimentación de alta frecuencia dentro de los racks de servidores, en cambio, es más adecuada para GaN.
En el futuro, toda la estructura de semiconductores de potencia podría consistir en tres capas:
Baja tensión y bajo costo: MOSFET de silicio.
Alta frecuencia y alta eficiencia: GaN.
Alta tensión y gran potencia: SiC.
Alrededor de 650V, es la zona de competencia directa entre GaN y SiC.
Por debajo de 650V, GaN tiene ventajas evidentes.
Por encima de 650V, SiC se vuelve cada vez más fuerte.
Y cerca de 650V, ambos pueden ser utilizados.
Al mismo tiempo, muchas de las principales sistemas clave en todo el mundo operan en torno a la línea de bus DC de 400V a 800V.
Los dispositivos de 650V generalmente corresponden a rectificación de 400V AC, HVDC de 380V, la parte superior de la arquitectura de 48V, PSU de centros de datos, fuentes de alimentación industriales, fotovoltaica, OBC, fuentes de servidores IA.
Este es uno de los rangos de voltaje más centrales en la industria moderna y en los centros de datos.
Por lo tanto, la competencia comienza a centrarse no solo en parámetros de dispositivos, sino en costos del sistema, EMI, complejidad de conducción, disipación de calor, rendimiento, fiabilidad, validación del cliente, vida útil, ciclos térmicos, tasa de fallos ppm y capacidad de suministro a largo plazo.
Esta es también la razón por la cual la barrera de entrada en la industria de semiconductores de potencia es muy profunda, especialmente para el SiC.
Lo realmente difícil del SiC no es solo el diseño del dispositivo, sino el crecimiento de obleas, epitaxia, control de defectos, rendimiento, fiabilidad a altas temperaturas.
Estas capacidades requieren una acumulación a largo plazo en procesos.
Por eso, los jugadores realmente fuertes en la industria suelen ser empresas con más de diez años de experiencia.
Las fortalezas varían entre diferentes compañías: Wolfspeed en materiales, STM en EV, Infineon en módulos y sistemas, onsemi en clientes automotrices, Rohm en fiabilidad.
El mundo del GaN aún no ha alcanzado completamente la madurez.
Actualmente, Texas Instruments, Navitas Semiconductor, Infineon Technologies y Efficient Power Conversion están promoviendo GaN en diferentes direcciones.
Entre ellas, TI puede estar subestimada a largo plazo, ya que los grandes clientes valoran más la fiabilidad, la calificación y la capacidad de suministro a largo plazo, que los parámetros en PPT, y esas son precisamente las fortalezas de TI.
En general, la IA está aumentando el contenido de “semiconductores de potencia” en todo el sistema.
En el futuro, la competencia en infraestructura IA no solo será de capacidad de cálculo, sino también de energía, distribución, disipación de calor y eficiencia de las fuentes de alimentación.
El núcleo de la industria de semiconductores en el pasado fue el cálculo.
En los próximos diez años, el control de potencia en sí mismo podría convertirse en uno de los nuevos cuellos de botella principales.
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