Galliumnitrid-Halbleiter
Enormes Potenzial für Leistungswandler
GaN-Leistungshalbleiter können viel mehr als nur für einen höheren Wirkungsgrad sorgen. Mit GaN sind Bauteile denkbar, die mit Si unmöglich sind, so Dr. Ahmad Bahai, Technikchef bei Texas Instruments und Direktor des TI Corporate Research, Kilby Labs.
Stellen Sie sich ein Ladegerät vor, mit dem ein Elektrofahrzeug doppelt so schnell wieder fahrbereit ist, oder einen Motorantrieb, der bei halbiertem Platzbedarf einen größeren Wirkungsgrad bietet, oder auch ein Netzteil für Laptop-Computer, das in eine Hosentasche passt.
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Die Elektronik ist auf Innovationen in der Stromversorgung angewiesen.
Jede Suchanfrage im Internet braucht so viel Energie wie eine 60-W-Glühlampe in 17 s. Multipliziert mit den Milliarden von Suchanfragen, die jeden Tag gestellt werden, kommt einen Energiebedarf von vielen Milliarden Kilowattstunden zusammen.
Die Herausforderung, effizienter mit Energie umzugehen und auf immer weniger Platz immer mehr Leistung zu steuern, bleibt unverändert bestehen. Innovationen wie beispielsweise Halbleiter aus Galliumnitrid (GaN) versprechen, zahlreiche Aspekte der Stromversorgung – die Erzeugung, die Bereitstellung sowie die Steuerung – deutlich zu verbessern. Bis 2030 soll etwa 80 Prozent der gesamten Energie durch Leistungselektronik gesteuert werden. 2005 lag der Anteil noch bei 30 % [1]. Dies entspricht einer Energieeinsparung von über 3 Mrd. kWh – genug, um damit mehr als 300.000 Haushalte ein Jahr lang zu versorgen.
Alles, was seine Energie direkt aus dem Stromnetz bezieht – vom Smartphone-Ladegerät bis zum Rechenzentrum – oder mit Spannungen bis zu einigen hundert Volt arbeitet, kann von Halbleitertechniken wie GaN profitieren, da sich damit sowohl der Wirkungsgrad als auch der Platzbedarf von Stromversorgungen verbessern lässt [2].
Die Suche nach dem idealen Schalter.
Zentrales Element einer jeden Stromversorgung ist ein Schalter, der den Strom ein- und ausschaltet. Dieser funktioniert im Prinzip ganz ähnlich wie ein Lichtschalter an der Wand – nur eben Millionen Mal schneller und kleiner. Hoher Wirkungsgrad (geringe Verluste), Zuverlässigkeit, Integrationsgrad und Erschwinglichkeit sind die entscheidenden Attribute eines Halbleiter-Leistungsschalters.
Die Suche nach dem idealen Schalter geht immer weiter. Ein idealer Schalter leitet den Strom im eingeschalteten Zustand mit einem geringen Einschaltwiderstand und lässt im abgeschalteten Zustand möglichst geringe Leckströme durch. Zugleich muss er hohe Spannungen an seinen Anschlüssen verkraften. Je höher außerdem die Schaltfrequenz ist, umso kleiner lassen sich die Leistungswandlerschaltungen insgesamt konstruieren. Abgesehen davon müssen Halbleiterschalter zuverlässig sein und sich kostengünstig produzieren lassen.
Leistungsschalter auf Siliziumbasis wurden über Jahrzehnte hinsichtlich Wirkungsgrad, Schaltgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit immer weiter verbessert. Sowohl für niedrige Spannungen unter 100 V als auch für hohe Spannungen – IGBTs und Superjunction-MOSFETs – gelang es diesen Bauteilen, den Anforderungen in Sachen Wirkungsgrad und Schaltfrequenz gerecht zu werden. Wegen der Restriktionen des Siliziums allerdings ist es nicht möglich, alle diese Eigenschaften in einem einzigen Silizium-Leistungs-FET zu vereinen. Anders ist es bei Leistungstransistoren auf der Basis von Materialien mit großer Bandlücke (Wide Bandgap) wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumcarbid (SiC): sie bieten einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Spannungen und hohen Schaltfrequenzen – auf einem Niveau, das über den Fähigkeiten von Silizium-MOSFETs liegt.
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