Geen hype: SiC-MOSFET's zijn werkelijkheid

Hypes zijn bijna niet meer weg te denken uit het moderne leven. Allerlei producten en diensten worden schaamteloos de hemel in geprezen, vaak voordat ze überhaupt op de markt komen. Denk aan films en series, maar ook apps en producten. De PR-afdeling van vroeger is geëxplodeerd: social media, betaalde 'viral' content, sluikreclame... u weet wat ik bedoel.

Zelfs ons vakgebied is niet immuun voor hypes, terwijl elektronica toch altijd een vrij nuchtere branche was. Een goed voorbeeld is de CES (vroeger de Consumer Electronics Show), die inmiddels ruim 100.000 mensen trekt en waar honderden bedrijven naartoe reizen om te zien en gezien te worden, en natuurlijk om 'buzz' te genereren.

Inmiddels is er zelfs een hype rondom de hype: Gartner, één van de belangrijkste marktonderzoekers ter wereld, publiceert een jaarlijkse 'hypegrafiek' voor opkomende technologie (Afbeelding 1). Gartner werkt de grafiek ieder jaar bij en voegt dan nieuwe onderwerpen toe, of het schrapt hypes die het toch niet hebben gered (Afbeelding 2). Natuurlijk maakt iedereen een andere inschatting van wat er op deze curve moet komen en waar.

Afbeelding 1: Het sjabloon van de standaard hypecyclus kan worden gebruikt om visueel aan te geven waar een technologie zich bevindt in zijn levenscyclus, van eerste concept tot adoptie en wijdverbreid gebruik. (Bron afbeelding: Wikipedia)

Afbeelding 2: De Gartner 2018 Hype Cycle for Emerging Technologies1 geeft een beeld, maar het nodigt ook iedereen uit om de beloftes en verwachtingen van een hype nog eens goed af te zetten tegen de werkelijkheid. (Bron afbeelding: Gartner)

Consumentenelektronica mag inmiddels ook zijn hype beleven, de belangrijke ondersteunende marktsegmenten zijn nog steeds grotendeels hypeloos. Het jaarlijkse APEC-congres (de Applied Power Electronics Conference) wordt goed bezocht en er wordt veel over gepubliceerd, maar het hypegehalte is het tegenovergestelde van dat van de CES. Natuurlijk presenteren leveranciers hun meest recente producten en kondigen ze aan wat eraan zit te komen. Maar de beloftes tijdens deze presentaties zijn vele malen minder opgeblazen dan bij de CES. Ergens is dat een beetje ironisch: het zijn vaak de ontwikkeling die op de APEC worden gepresenteerd, die de latere hypes van de CES mogelijk maken.

Misschien komt deze nuchterheid rondom alle ontwikkelingen op het gebied van stroom door de nuchterheid van de mensen die met voedingscomponenten en -ontwerpen werken. Over het algemeen is dit een voorzichtige en conservatieve beroepsgroep (in ieder geval als het gaat om hun ontwerpen). Dit is geen branche waar graag alles wordt ingezet op een radicaal nieuwe technologie, voordat die technologie zich heeft bewezen in allerlei toepassingen en gedurende vele, vele bedrijfsuren. Ingenieurs weten dat een goede voeding, hoe onspectaculair die ook mag zijn, de basis vormt voor een goed product. En over het algemeen kunnen tekortkomingen in de voeding niet achteraf worden "gefixt" door een upgrade te downloaden.

Een goed voorbeeld is de MOSFET-technologie op basis van siliciumcarbide (SiC), waar al tientallen jaren onderzoek naar wordt gedaan. Deze onderzoeksinspanning ging niet gepaard met gehypte voorspellingen dat SiC's een revolutie zouden betekenen voor de prestaties van voedingen, in vergelijking met de traditionele MOSFET's met alleen silicium. In plaats daarvan waren de onderzoekers steeds voorzichtig optimistisch, en werd iedere keer benadrukt dat "er nog veel werk nodig was". Maar nu is het dan echt zo: er is heel goed nieuws als het gaat om SiC-MOSFET's. Leveranciers boeken gestaag technische vooruitgang en de technologie heeft inmiddels fors terrein gewonnen in ontwerpen voor omzettingssystemen.

Hoe groot is de markt voor deze apparaten, en hoe snel ontwikkelt die markt zich? Het antwoord hangt er natuurlijk van af aan wie je de vraag stelt. Een analyse van MarketWatch² voorspelt dat de markt voor SiC-voedingen van 2018 tot 2023 zal groeien met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 35,73%. (Terzijde: een voorspelling voor vijf jaar in de toekomst met een nauwkeurigheid van twee cijfers achter de komma is belachelijk en maakt de extrapolatie voor mij minder geloofwaardig). Een ander rapport, van Yole Developpement³, geeft een markt van 461 miljoen dollar in 2019, met een CAGR van "slechts" 31%. Een derde analist voorspelt een markt van 6,04 miljard dollar in 2025 met een CAGR van 15,7%.

Er gaan nog veel meer cijfers rond, maar één ding is duidelijk: apparaten op SiC-basis zijn werkelijkheid. Ze worden in uiteenlopende ontwerpen ingezet en in allerlei toepassingen, van elektrovoertuigen en motoraandrijvingen tot subsystemen voor alternatieve energie. Dit is grotendeels te danken aan het feit dat de SiC-MOSFET's van nu een volwassen technologie zijn, met componenten van de tweede en zelfs derde generatie.

Een voorbeeld: sinds de eerste commerciële, verpakte SiC-MOSFET's van Cree uit 2011 zijn er nog twee generaties ontwikkeld. Voor de derde generatie, bijvoorbeeld de C3M0075120K (tabel 1), heeft Cree de belangrijkste specificaties weten te verbeteren met 20% tot 100%, afhankelijk van de relevante parameter. Dat is een significante winst.

Tabel 1: Topspecificaties van de Cree C3M0075120K, een apparaat in de derde generatie, vertellen maar een deel van de technische vooruitgang voor deze SiC-MOSFET. (Bron afbeelding: Cree)

Net zo belangrijk is dat leveranciers, toepassingsspecialisten en ontwerpers de specifieke eigenschappen van deze apparaten beter hebben leren kennen. Laten we eerlijk zijn: alle soorten MOSFET's hebben zo hun eigen "gebruiksaanwijzing" als het gaat om de vereisten aan de aandrijving, de in- en uitschakelkarakteristieken, thermische voorwaarden en belastingstopologieën. Het lijkt eerst vreemd, maar voor deze apparaten met hun drie terminals is er een enorme hoeveelheid grafieken op de gegevensbladen met de statische en dynamische performance bij nominale en extreme temperaturen. Het bekende overzicht van de Safe Operating Area is slechts één voorbeeld.

Gelukkig zijn SiC-FET's nooit aangekondigd met alle fanfare die voor zoveel andere technologieën uit de kast wordt gehaald. Dat zou niet passen bij onze branche. Het is een fors contrast, denk maar aan alle poeha waarmee de 3D-televisie een paar jaar geleden werd gelanceerd als "next big thing"? Wat zat daar achter? Ging het om een echte behoefte van gebruikers, of wilden leveranciers de bestaande TV's achterhaald laten lijken om nieuwe apparatuur te kunnen verkopen? (Ik denk dat u het antwoord op die vraag wel weet.)

En hoe zit het met de hypes rondom kunstmatige intelligentie, 5G, zelfrijdende auto's en quantumcomputers? Die technologieën bevinden zich duidelijk op de hypecurve, maar zelfs nu al lijkt de glans er soms een beetje af (het lijkt erop dat het toch nog wat langer zal duren met die zelfrijdende auto's, wat niet echt verrassend is). En de journalisten die met zoveel vertrouwen schreven dat deze auto's het aantal ongelukken en sterfgevallen in het verkeer met een specifiek percentage omlaag zouden brengen – wat voor bewijs hadden ze voor die claim?

Het is goed dat het voedingsgerelateerde deel van onze branche tot nu toe nog niet voor de hype is gegaan. In plaats daarvan lag de focus steeds op de inhoud, en stapsgewijze aankondigingen. En dat is een prettig idee: mijn voeding mag (een beetje) warm lucht produceren, maar geen gebakken lucht. Ik heb Gartners hypegrafieken van de laatste tien jaar erop nageslagen, en SiC-technologie komt er niet in voor. De revolutie voor voedingscomponenten heeft zich in stilte voltrokken.

<e> 

Referenties (Engelstalig):

1 – 5 Trends Emerge in the Gartner Hype Cycle for Emerging Technologies

(https://www.gartner.com/smarterwithgartner/5-trends-emerge-in-gartner-hype-cycle-for-emerging-technologies-2018/)

2 – Global Silicon Carbide (SiC) Power Devices Market 2019-2023 | Industry Analysis of Semiconductor & Electronics sector by Region, Growth expected to reach at CAGR of 35.73%

(https://www.marketwatch.com/press-release/global-silicon-carbide-sic-power-devices-market-2019-2023industry-analysis-of-semiconductor-electronics-sector-by-region-growth-expected-to-reach-at-cagr-of-3573-2019-08-30)

3 – GaN and SiC power device: market overview (Dr. Milan Rosina)

(http://www1.semi.org/eu/sites/semi.org/files/events/presentations/02_Milan%20Rosina_Yole.pdf)