Ein AC-Adapter mit GaN (Galliumnitrid)

Dies ist eine Seite, die AC-Adapter und Schaltnetzteile mit GaN (Galliumnitrid)-ICs erklärt, die als Halbleiter der nächsten Generation gelten. UNIFIVE verwendet sie in den entwickelten USB-PD-Adaptern.

Was ist ein AC-Adapter mit GaN, der Halbleiter der nächsten Generation?

Was ist GaN?

In letzter Zeit tauchen USB-AC-Adapter mit GaN-PD-Technologie zunehmend in Elektronikgeschäften auf. Dieses „GaN“ steht für Galliumnitrid – ein innovatives Halbleitermaterial der nächsten Generation, das die Leistungselektronik revolutioniert. Über Jahrzehnte hinweg bildeten auf Silizium basierte MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) das Rückgrat der Energieumwandlung in unserem Alltag. Doch mit Fortschritt der Technologie nähert sich die Leistungsfähigkeit von Silizium-MOSFETs ihren theoretischen Grenzen, was eine weitere Verbesserung erschwert.

Mit steigenden Anforderungen an Leistungsdichte und Effizienz sowie neuen Umweltvorschriften in Industrieländern wird Silizium zunehmend als ungeeignet für diese Trends angesehen. Im Gegensatz dazu bietet Galliumnitrid Eigenschaften, die genau diesen Anforderungen entsprechen, weshalb es sich als Schlüsseltechnologie für zukünftige Leistungsschaltungen etabliert.

Was ist Galliumnitrid?

Galliumnitrid existiert nicht in der Natur als Element. Es wird als Nebenprodukt bei der Aluminiumgewinnung aus Bauxit oder bei der Zinkproduktion aus Sphalerit gewonnen. Dadurch entstehen bei der Extraktion und Raffinierung nur geringe Mengen an CO₂. Jährlich werden über 300 Tonnen Gallium produziert, weltweit existieren ca. eine Million Tonnen an Reserven. Als Nebenprodukt ist es mit etwa 300 US-Dollar pro Kilogramm relativ günstig – verglichen mit ca. 60.000 US-Dollar pro Kilogramm Gold.

Neben den Umwelteigenschaften gehört GaN zur Klasse der direkten III/V-Halbleiter mit Bandlücken und ist besonders für leistungsstarke Transistoren geeignet, die auch unter hohen Temperaturen zuverlässig funktionieren.

Die Geschichte von GaN

Der Schmelzpunkt von reinem Gallium liegt bei nur etwa 30 °C – es schmilzt also in der menschlichen Handinnenfläche. Bis zur erstmaligen Synthese von Galliumnitrid vergingen etwa 65 Jahre, und bis in die 1960er Jahre war es unmöglich, monokristalline GaN-Schichten zu erzeugen. GaN als Verbindung hat einen Schmelzpunkt von über 1.600 °C – 200 °C höher als Silizium.

Im Jahr 1972 gelang die Entwicklung eines GaN-LED mithilfe von Magnesium-Dotierung. Obwohl dessen Helligkeit anfangs nicht für den kommerziellen Einsatz ausreichte, war es die erste LED, die blau-violettes Licht erzeugte.

Seit den 1990er-Jahren fand GaN breite Anwendung in LEDs. Es sendet blaues Licht aus, das etwa bei Blu-ray-Discs verwendet wird. Heute wird GaN auch in Leistungshalbleitern, HF-Komponenten, Lasern und photonischen Bauelementen eingesetzt – künftig möglicherweise auch in Sensortechnologien.

2006 begann die Produktion von Enhancement-Mode-GaN-Transistoren (auch GaN FET genannt), bei denen dünne GaN-Schichten durch MOCVD-Verfahren auf einer AIN-Schicht auf Siliziumwafern abgeschieden werden. Die AIN-Schicht dient als Puffer zwischen Substrat und GaN. Mit dieser Methode lassen sich GaN-Transistoren in den gleichen Fertigungsprozessen wie Silizium herstellen – kostengünstig und mit hoher Leistung. Jedes Halbleitermaterial besitzt eine sogenannte Bandlücke – einen Energiebereich, in dem keine Elektronen existieren dürfen. Silizium hat eine Bandlücke von 1,12 eV, während GaN eine von 3,4 eV besitzt. Die große Bandlücke ermöglicht GaN-Bauelementen höhere Spannungen und Temperaturen als Silizium-MOSFETs standzuhalten.

Dank dieser breiten Bandlücke eignet sich GaN hervorragend für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen in der Optoelektronik. GaN-Tranistoren funktionieren bei wesentlich höheren Spannungen und Temperaturen als etwa Galliumarsenid (GaAs) und sind daher ideal für Mikrowellen- oder Terahertz-Verstärker, etwa in der Bildgebung oder Sensorik.

Welche Vorteile bietet GaN?

Was sind also konkret die Vorteile, wenn man GaN – ein Material für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen – in AC-Adaptern nutzt? Diese Vorteile wollen wir näher erläutern.

GaN wird oft mit Silizium verglichen. Die heute gängigen MOSFETs auf Siliziumbasis finden breite Anwendung in Netzteilen für AC/DC, DC/DC oder Motortreiber und decken Lasten von wenigen bis zu mehreren tausend Watt ab. Ihre Leistung wurde kontinuierlich durch Verbesserungen bei Aufbau, Durchlasswiderstand RDS(on), Spannungsfestigkeit und Schaltgeschwindigkeit gesteigert.

Aber selbst bei diesen fortschrittlichen Siliziumtechnologien werden inzwischen theoretische Grenzen erreicht. GaN-basierte Leistungsverstärker hingegen zeichnen sich durch ihre hohe elektrische Feldfestigkeit und hohe Elektronenmobilität aus. Das bedeutet, dass GaN bei gleicher Sperrspannung und Durchlasswiderstand kompakter als Silizium gefertigt werden kann.

GaN-FETs bieten zudem besonders schnelle Schaltzeiten und ausgezeichnete Rückschalteigenschaften, die für niedrige Verluste und hohe Effizienz entscheidend sind. Heute sind GaN-FETs mit Nennspannungen von 600 V bzw. 650 V weit erhältlich.

Im Bereich der AC-Adapter lassen sich vor allem folgende drei Vorteile benennen:

Wärmemanagement

Dank der großen Bandlücke besitzt GaN eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium. Dadurch können Geräte mit GaN auch bei höheren Temperaturen arbeiten, effizienter gekühlt werden und bleiben bei Betrieb kühler – was die Lebensdauer verlängert und hitzebedingte Schäden reduziert.

Miniaturisierung durch hohe Leistungsdichte

Da GaN eine höhere Schaltfrequenz und Betriebstemperatur zulässt, können Kühlkörper verkleinert, Lüfter eingespart und magnetische Bauteile reduziert werden. Höhere Frequenzen ermöglichen kleinere Induktivitäten und Kondensatoren, was insgesamt zu einer kompakteren Bauweise des Adapters führt.

Reduktion von Geräuschen & drahtlose Leistungsübertragung

Höhere Frequenzen führen zu weniger akustischen Störungen in Motoranwendungen. Sie ermöglichen auch eine effizientere drahtlose Energieübertragung mit höherer Leistung und größerem Abstand zwischen Sender und Empfänger – relevant etwa für zukünftige Ladetechnologien in Elektrofahrzeugen.

Der von Unifive entwickelte AC-Adapter mit GaN

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