GaN in Stromversorgungen

Welche Vorteile bietet GaN in Schaltnetzteilen?

24. Mai 2016, 10:15 Uhr | Michael Seeman

Eine effizientere Leistungswandlung ist ein zentrales technisches Ziel unserer Gesellschaft. Welche Möglichkeiten gibt es, einen höheren Wirkungsgrad in Schaltnetzteilen zu erlangen? Und welche Rolle spielt GaN dabei?

Angesichts der wachsenden Weltbevölkerung und des ständig steigenden Energiebedarfs auf der Erde ist eine effizientere elektrische Leistungsumwandlung ein zentrales technisches Ziel.

Eine bedeutende Innovation, die entscheidend zum Erreichen dieses Ziels beitragen könnte, ist die Verwendung von Galliumnitrid (GaN) in der Leistungselektronik. Schon jetzt hat sich GaN als Halbleitermaterial fest etabliert. Es wird in LEDs bereits in großem Umfang eingesetzt und wird in drahtlosen Anwendungen immer wichtiger. Fortschritte im Bereich der Prozesse und Verbesserungen bei den Defektraten sorgen mittlerweile dafür, dass GaN eine Reihe von Vorteilen für elektronische Stromversorgungen bietet, die Wechselstrom in Gleichstrom verwandeln, das Spannungsniveau verändern und eine Reihe weiterer Funktionen ausführen, um eine zuverlässige Versorgung mit Elektrizität sicherzustellen.

Die auf GaN basierenden Leistungs-Schalttransistoren, die den Weg zu neuen Leistungs-Anwendungen ebnen, arbeiten bei hohen Spannungen mit deutlich höherer Performance und geringeren Verlusten als die bislang verwendeten Transistoren aus der Basis von Silizium (Si). Die spezifischen Merkmale von GaN, darunter die Eignung für hohe Schaltfrequenzen, ermöglichen hohe Performance verbunden mit einem hohen Wirkungsgrad. Die GaN-Bausteine beruhen auf einem GaN-on-Si-Prozess, der zu dem bestehenden Fertigungsablauf für Silizium-Halbleiter passt. Da GaN-Bauelemente bei gleicher Stromtragfähigkeit deutlich kleiner sind, dürften GaN-Transistoren langfristig ebenso kosteneffektiv sein wie entsprechende Si-Produkte. GaN-Bausteine werden dadurch für Systeme attraktiv, deren Spektrum von großen industriellen Anlagen bis zu den kleinsten Handheld-Geräten reicht. Bedingt durch seine Vorteile wird GaN zunächst in Leistungs-Designs mit höherer Performance eingesetzt werden. Diese Designs sind anspruchsvoll, weil bei ihnen mit immer höheren Frequenzen gearbeitet wird und präzise Schalteigenschaften gefragt sind. Die an GaN geknüpften Erwartungen einer effizienteren Leistungsumwandlung werden jedoch zunehmend greifbar.

Mittlerweile beginnen Stromversorgungs-Designer, ihre Schaltungen zu überdenken und nach Möglichkeiten zur Realisierung von Systemen zu suchen, die das Potenzial der neuen GaN-Transistoren in vollem Umfang ausschöpfen und gleichzeitig unerwünschte Effekte vermeiden können. Wenn Überlegungen dieser Art Eingang in die Betrachtung finden, lassen sich Lösungen häufig in den Bauelementen selbst entdecken, also in den GaN-Schaltern, in den Si-Treibern für diese Schalter und in den schnellen Schaltreglern, aber auch in den Leistungsdrosseln, Übertragern und Kondensatoren, die ebenfalls Bestandteile des Gesamtdesigns sind. IC-Hersteller, die Leistungsbausteine produzieren, können ihren Kunden deutlich umfangreichere Designmöglichkeiten bieten, indem sie Systemlösungen aus gemeinsam entwickelten Bauelementen anbieten – bis hin zur Integration mehrerer Chips in modularen Gehäusen.