Optimierung der Leistungsdichte durch GaN-Halbleiter

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Was GaN kann - Optimierung der Leistungsdichte durch GaN-Halbleiter

 

Lange Zeit galten Silizium-basierte Leistungstransistoren (MOSFETs) als das Maß der Dinge im niedrigen bis mittleren Leistungssegment von Energieversorgungslösungen. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologie über Jahrzehnte und der Produktion im großen Maßstab behaupten sie bis heute ihre Position als Standardbauelement in der Stromrichtertechnik.

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Mit der Weiterentwicklung von sogenannten III-V Halbleitern sind nun Leistungstransistoren auf Galliumnitrid (GaN) Basis hinzugekommen, die aufgrund ihrer gegenüber Silizium um den Faktor 3 größeren Bandlücke signifikante Vorteile aufweisen:

Ein wesentlicher Vorteil hieraus ist die um den Faktor 10 höhere Durchbruchfeldstärke des Materials, welche dünnere Strukturen bei gleicher Sperrspannung erlaubt. Der Durchlasswiderstand RDS,on des Transistors kann so deutlich reduziert werden, was wiederum zu niedrigeren Leitverlusten führt. Die im Vergleich zu Siliziumtransistoren höhere Elektronenbeweglichkeit resultiert weiterhin in niedrigeren Schaltverlusten und ermöglicht höhere Schaltgeschwindigkeiten.

Vergleich-Halbleiter

Vergleich ausgewählter Halbleitereigenschaften

Klein und leistungsstark

Beim Design von Energieversorgungslösungen wie Netzteilen und Ladegräten ist es häufig das Ziel, den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte zu maximieren. Zwei begrenzende Faktoren in der Auslegung sind immer auch die maximal abführbare Verlustleistung in Form von Wärme über das Gehäuse als auch die reine Platzanforderung für die elektronischen Komponenten.

Hier kommen nun die eingangs erwähnten Vorteile von GaN-Halbleitern zum Tragen: Die geringeren Schalt- und Leitverluste reduzieren die abzuführende Wärme, was eine vom Gerätedesign her kleinere Gehäuseoberfläche zur Wärmeableitung erlaubt. Weiterhin ermöglichen höhere Schaltfrequenzen der Umrichtelektronik kleinere magnetische Komponenten wie Spulen und Wandler. Im Ergebnis kann durch den Einsatz von GaN-Technologie bei gleicher Geräteleistung gegenüber einer klassischen Lösung mit Siliziumtransistoren aufgrund reduzierter Abmessungen die Leistungsdichte gesteigert und das Gewicht des Gerätes optimiert werden.

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Wafer-Inspektion im Rahmen der Qualitätssicherung

Warum GaN die Zukunft des Ladens mitbestimmen wird

Der Wunsch nach maximaler Effizienz und Leistungsdichte ergibt sich zum Teil aus normativen Anforderungen, aber auch aus begrenzten Platzverhältnissen oder aus rein praktischen und ästhetischen Gründen. So entlasten möglichst leichte und kleine Ladegeräte für Laptops und Telefone das Reisegepäck oder das E-Bike Ladegerät fällt bei einer längeren Tour nicht mehr ins Gewicht.

Aus ökologischer Sicht trägt der Einsatz von GaN-Halbleitern zudem dazu bei den CO2-Fußabdruck zu reduzieren, da bei gleichem Ladeergebnis spürbar weniger Energieverluste auftreten. Bislang sind Netzteile und Ladegeräte basierend auf GaN-Halbleitern noch nicht weit verbreitet; Studien zufolge werden sie jedoch bis zum Jahr 2025 mehr als 50% aller neu hergestellten Geräte ausmachen.

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