Gartner Power-IC-Prognose 2015 GaN wird erst in fünf Jahren wirklich marktrevant

Dr. Stephan Ohr,
Dr. Stephan Ohr, »Vor allem die Hersteller von Wearable Electronics versprechen sich von den kabellosen Lade-lösungen entscheidende Vorteile für den Formfaktor ihrer Produkte.«

Dr. Stephan Ohr, Semiconductor Research Director bei Gartner Technology und Service Provider Research, erwartet, dass 2015 industrielle Anwendungen zum größten Abnehmer für Leistungshalbleiter- und Power-Management-ICs werden. Die Notwendigkeit zahlloser Sensorknoten im IoT pusht zudem das Energy-Harvesting.

Alle elektronischen Geräte, die uns umgeben, seien es industrie Kontrolleinheiten, Computer Data-Center, Autos, Weiße- und Braune Ware oder unsere alltäglichen mobilen Devices wie Handys oder Smartphones, benötigen eine bestimmte Form von Power-Management. Doch die dazu nötigen Power-Levels scheinen sich zu verändern, ebenso die Techniken zu ihrer Bereitstellung.Das Leistungsspektrum reicht von einigen hundert Volt und Dutzenden von Ampere zum Betreiben industrieller Maschinen bis hinab zu den Mikrovolts und Mikroamperes, mit denen sich Sensorknoten aus verschiedenen Power-Quellen bedienen. Hier sind einige Veränderungen, die in diesem Bereich in den nächsten Jahren auf uns zukommen und damit die Anforderungen an Leistungshalbleiter- und Power-Management-ICs verändern werden:

• Industrielle Steuer- und Regeleinheiten werden Server als die primäre Quelle für das Schaltnetzteil-Wachstum ablösen.

• Kabelloses Laden wird sich vor allem im Bereich Mobile Devices durchsetzen. Das gilt vor allem für Wearable Electronics wie Smart-Watches und Geräte zum Fitness-Monitoring.

• Der Einsatz von Energy Harvesting in Verbindung mit Ultra-Low-Power Halbleiterlösungen wird für den Betrieb von Sensor-Knoten im Internet-of-Things schnell an Bedeutung gewinnen.

Große Data-Center haben in der Vergangenheit viel für die Effizienz des Energietransfers ausgegeben, kämpften sie doch immer mit dem Problem der Abwärme. Bei einem Wirkungsgrad der Spannungswandler von 80 Prozent bedeutete das, dass 20 Prozent der eingesetzten Energie in Form von Abwärme verloren ging. Konsequenter Weise waren die Ausgaben für Kühlung die höchsten Einzelkosten der Data Center. Der Einsatz von DC/DC-Wandlern mit 95 Prozent Wirkungsgrad erzeugt hier nicht nur deutlich weniger Abwärme, sondern erlaubt auch den Übergang von zimmergroßen Kühlvorrichtungen zu kleinen Ventilatoren, die auf der Rückseite der Racks angebracht sind. Hier sind wir inzwischen fast am Ziel der Mission angekommen.

Während der Markt für DC/DC-Wandler auch in den nächsten fünf Jahren kontinuierlich um 10 bis 12 Prozent im Jahr wachsen wird, wird der Markt für Server Komponenten immer preissensitiver. Dies gilt besonders seit asiatische Server-Card-Assemblierer dazu übergehen, die Spezifikationen für Power-Conversion-Komponenten enger zu fassen. Eine mögliche Konsequenz dieser Entwicklung könnte »digitales Power Management« sein. Das würde die Einbindung von Mikrocontrollern, State Machines oder PMBus-Interfaces im Zusammenspiel mit dem auf den Server-Cards befindlichen Point-of-Load-Wandlern voraussetzen. Einige dieser Control-Einheiten, die sich auf verschiedenen Sektionen der Karten befinden, könnten in Zukunft zugunsten eines einzigen Power-Monitoring-Interfaces wegfallen, das dann die Server-Karte als Ganzes überwacht und regelt. 

Industrielle Applikationen wie die Fabrikautomation, Transportsysteme, Smart Buildings und LED-Beleuchtungslösungen verdrängen Data-Center zunehmend als größte Abnehmer von Spannungs-Konverter-Chips und -Modulen. Parallel zum Wachstum bei DC/DC-Wandlern ist auch ein Wachstum bei AC/DC-Wandlern zu beobachten. Neben dem Einsatz als Steckernetzteile kommen sie vor allem beim Ersatz von Glühlampen durch LED-Beleuchtungslösungen zum Einsatz. Im Bereich industrieller Anwendungen geht der Trend bei AC/DC-Netzteilen zu immer kompakteren Lösungen, die hohe Ausgangsströme zur Verfügung stellen. 

Industrielle Anwendungen, die am 220-V-Netz hängen, benötigen Komponenten, die höhere Spannungen schalten können. Das wird im Speziellen den Bedarf an 600-V-IGBTs für Motorsteuerungen und für Vorschaltgeräte von kommerziellen Beleuchtungslösungen weiter steigern. Für Anwendungen im Bereich 480 VAC ist in Zukunft verstärkt mit dem Einsatz von 1200- und 1800-V-SiC-Transistoren zu rechnen. Schaltnetzteile, die auf GaN-Transistoren setzen, dürften dagegen erst in fünf Jahren auf den Markt kommen. Dank des Interesses großer Halbleiterhersteller wie Infineon Technologies, On Semiconductor und Texas Instruments wird sich der Markteintritt der GaN-Transistoren in den nächsten Jahren beschleunigen. 

Mobile Geräte benötigen längere Batterienutzungsdauern. Im Gegensatz zum Industriebereich sind die Anforderungen der Batterieladung im Mobiltelefonbereich jedoch um Größenordnungen geringer als etwa im Server-Segment. Anstelle von Point-of-Load-Wandlern, die 25 A ausgeben, sind hier Ladegeräte gefragt, die bei 5 V einen Strom von 1,2 A ausgeben. Ladegeräte, die über einen Micro-USB-Steckverbinder ein Mobiltelefon laden, können das über Nacht. Etwas Effizienz wird verloren, wenn ein Schnelllade-Adapter, etwa ein Qualcomm Quick Charge, zum Einsatz kommt, der mit 12 V startet, anschließend zu 9 V übergeht und zu 5 V Erhaltungsladung, wenn die Batterie aufgeladen ist.