Was ist ein Netzteil mit GaN (Galliumnitrid)?

Was ist ein AC-Adapter mit GaN (Galliumnitrid)? Der Netzteilhersteller UNIFIVE erklärt die Unterschiede zu Silizium, die Gründe für die kompakte Bauweise und hohe Effizienz sowie wichtige Aspekte bei der Entwicklung. Zudem stellen wir unsere Erfolge bei der Miniaturisierung von AC-Adaptern mit Leistungshalbleitern der nächsten Generation und Beispiele für kundenspezifische Netzteile vor.

Was ist ein AC-Netzadapter mit GaN (Galliumnitrid)?

Ein AC-Netzadapter mit GaN (Galliumnitrid) verwendet GaN anstelle von Silizium (Si) für die Schaltelemente (Leistungshalbleiter), die den Strom ein- und ausschalten.

GaN-Bauelemente weisen geringere Leistungsverluste als Siliziumbauelemente auf und können bei höheren Frequenzen schalten. Dadurch lassen sich die Transformatoren und Kondensatoren im AC-Netzadapter verkleinern. Somit können AC-Netzadapter bei gleicher Ausgangsleistung kompakter und leichter gebaut werden.

Die Miniaturisierung der Stromversorgung bietet Geräteherstellern erhebliche Vorteile. Eine kleinere Stromversorgung ermöglicht auch eine kompaktere Bauweise des Geräts selbst. Darüber hinaus trägt die Miniaturisierung der Stromversorgung zur Senkung der Gesamtkosten des Geräts bei.

Unterschiede zwischen GaN und Silizium (Si)

GaN ist ein Halbleiter mit einer größeren Bandlücke als Silizium. Materialien mit einer großen Bandlücke halten hohen Spannungen und hohen Temperaturen stand. Die folgende Tabelle vergleicht Silizium und GaN als Materialien für Leistungshalbleiter.

Transistoren aus GaN (GaN-FETs) zeichnen sich durch eine sehr hohe Schaltgeschwindigkeit und ein hervorragendes Sperrerholungsverhalten aus. Derzeit sind GaN-FETs mit Nennspannungen von 600 V und 650 V auf vielen Märkten erhältlich. Die Funktionsweise von Schaltnetzteilen wird unter Was ist ein Schaltnetzteil? erläutert.

Was für ein Material ist GaN (Galliumnitrid)?

Galliumnitrid (GaN) ist ein Verbindungshalbleiter aus Gallium (Ga) und Stickstoff (N). GaN ist ein binärer III/V-Direkthalbleiter. GaN eignet sich als Material für Hochleistungstransistoren, die auch bei hohen Temperaturen zuverlässig funktionieren.

GaN wird unter anderem in Leuchtdioden (LEDs), Lasern, der Photonik, HF-Bauteilen und Leistungshalbleiterbauelementen eingesetzt. GaN kann bei höheren Temperaturen und Spannungen betrieben werden als Transistoren aus Galliumarsenid (GaAs). Daher gilt GaN auch als geeignet für Leistungsverstärker in Mikrowellen- und Terahertzgeräten (THz), die für Bildgebung und Sensorik eingesetzt werden.

Der Unterschied zwischen Gallium und Galliumnitrid

Gallium ist ein metallisches Element. Der Schmelzpunkt von reinem Gallium liegt bei etwa 30 °C. Daher schmilzt Gallium sogar auf der Handfläche eines Menschen. Galliumnitrid (GaN) ist eine chemische Verbindung aus Gallium und Stickstoff. Die Eigenschaften von Galliumnitrid unterscheiden sich deutlich von denen des Galliums. Galliumnitrid schmilzt nicht wie Gallium bei niedrigen Temperaturen.

Gallium kommt in der Natur nicht als elementares Metall vor. Es fällt als Nebenprodukt bei der Gewinnung von Aluminium aus Bauxit oder bei der Herstellung von Zink aus Zinkblende an. Galliumnitrid wird aus diesem Gallium und Stickstoff hergestellt.

Geschichte von GaN

Die Geschichte von GaN beginnt mit der Entdeckung von Gallium. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Ereignisse im Zusammenhang mit GaN zusammen.

Die AlN-Schicht dient als Pufferschicht zwischen dem Siliziumsubstrat und dem GaN. Dank dieses Verfahrens konnen GaN-Transistoren in denselben bestehenden Fabriken und mit nahezu denselben Fertigungsprozessen wie Silizium hergestellt werden. Durch die Senkung der Herstellungskosten wurde der Einsatz leistungsstarker, kompakter Transistoren erleichtert.

Warum sich AC-Netzteile durch den Einsatz von GaN verkleinern lassen

AC-Netzteile lassen sich durch den Einsatz von GaN verkleinern, da GaN-Bauelemente geringe Verluste aufweisen und bei hohen Frequenzen betrieben werden können.

In herkömmlichen AC-Netzteilen werden häufig Silizium-MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) als Schaltelemente eingesetzt. Durch jahrelange Weiterentwicklung nähert sich die Leistungsfähigkeit von Silizium-MOSFETs inzwischen ihren theoretischen Grenzen. Daher findet GaN als Alternative zu Silizium-Schaltelementen zunehmend Verbreitung.

Bei GaN-Leistungsbauelementen handelt es sich um Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT). GaN ist ein Material mit einer höheren Durchbruchfeldstärke als Silizium. Bei gleichem Einschaltwiderstand und gleicher Spannungsfestigkeit sind GaN-Bauelemente daher kleiner als Silizium-Bauelemente. Da GaN-Bauelemente zudem eine hohe Elektronenbeweglichkeit aufweisen und kompakt sind, ermöglichen sie hohe Schaltgeschwindigkeiten. Für AC-Netzteile ergeben sich daraus die folgenden drei wesentlichen Vorteile.

Geringere Verluste und Wärmeentwicklung

GaN-FETs zeichnen sich durch sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten und ein hervorragendes Rückwärtserholungsverhalten aus. Dadurch entstehen beim Schalten geringere Leistungsverluste. Geringere Verluste bedeuten, dass im Netzteil weniger elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Dies begrenzt den Temperaturanstieg des Netzteils und schützt die Bauteile vor hitzebedingten Schäden. Da GaN zudem eine große Bandlücke besitzt, hält es höheren Temperaturen stand als Silizium.

Betrieb bei hohen Frequenzen ermöglicht kleinere Transformatoren und Kondensatoren

GaN-Bauelemente können mit höheren Frequenzen schalten als Siliziumbauelemente. Je höher die Schaltfrequenz ist, desto kleiner können die in Stromversorgungsschaltungen verwendeten Transformatoren, Induktivitäten und Kondensatoren ausgelegt werden. Da zudem weniger Wärme entsteht, können Kühlkörper verkleinert oder Kühllüfter ganz weggelassen werden. Durch die Verkleinerung dieser Komponenten kann auch das Gehäuse des Netzteils kompakter gestaltet werden. Außerdem lässt sich bei gleicher Gehäusegröße eine höhere Leistung erzielen (höhere Leistungsdichte).

Kleinere Stromversorgungen ermöglichen auch kompaktere Geräte

Durch eine kleinere Stromversorgung erhöht sich die Gestaltungsfreiheit bei Geräten, die eine Stromversorgung benötigen. Bei Geräten mit integrierter Stromversorgung kann das Gerät selbst kompakter konstruiert werden. Bei Geräten mit Netzteil lässt sich dieses leichter auf begrenztem Raum unterbringen. Zudem wird verhindert, dass es beim Einstecken in eine Steckdosenleiste benachbarte Steckplätze blockiert. Die Miniaturisierung der Stromversorgung trägt außerdem dazu bei, die Gesamtkosten des Geräts zu senken.

In einem unserer Projekte konnten wir durch den Vorschlag einer Serie mit Leistungshalbleitern der nächsten Generation Probleme hinsichtlich des verfügbaren Einbauraums und gegenseitiger Beeinträchtigungen lösen. Weitere Informationen finden Sie unter Semikundenspezifisches Anwendungsbeispiel zur Miniaturisierung mit einer Serie von Leistungshalbleitern der nächsten Generation.

Wichtige Aspekte bei der Entwicklung von Netzteilen mit GaN

Der Wirkungsgrad, die Wärmeentwicklung und die Lebensdauer von AC-Adaptern mit GaN werden nicht allein durch das Halbleitermaterial bestimmt. Sie hängen auch von der Schaltungsentwicklung, der Komponentenkonfiguration und der Wärmeableitung ab.

GaN-Bauelemente schalten mit hoher Geschwindigkeit. Daher sind bei Netzteilen mit GaN sowohl Maßnahmen gegen elektromagnetische Störungen (EMI), die auf die hohen Schaltgeschwindigkeiten abgestimmt sind, als auch die Entwicklung der Gate-Treiberschaltung zur Ansteuerung der Bauelemente von entscheidender Bedeutung. Um das volle Potenzial von GaN-Bauelementen auszuschöpfen, ist umfassende Kompetenz bei der Entwicklung des gesamten Netzteils erforderlich.

Unsere auf Netzteile spezialisierte Entwicklungsabteilung übernimmt durchgängig die Entwicklung von Schaltungen, Transformatoren und Gehäusen sowie die Einhaltung von EMV- und Sicherheitsnormen. Darüber hinaus ist GaN nicht die einzige Möglichkeit zur Miniaturisierung. Wir verfügen auch über Erfahrung in der Serienfertigung von AC-Adaptern, bei denen durch eine optimierte Schaltung mit Siliziumbauelementen eine kompakte Bauweise erreicht wurde (Beispiel für die Serienfertigung eines 65-W-AC-Adapters). Wir schlagen Ihnen die optimale Lösung entsprechend den Spezifikationen und Kosten Ihres Geräts vor.

Wenn Sie ein auf Ihr Gerät abgestimmtes Netzteil benötigen, entwickeln wir es für Sie als kundenspezifisches Netzteil. Die verschiedenen Möglichkeiten und der Ablauf einer kundenspezifischen Anpassung werden unter Was ist eine kundenspezifische Anpassung von Netzteilen? erläutert.

Unsere AC-Netzteile mit Leistungshalbleitern der nächsten Generation

Wir bieten kompakte AC-Netzteile mit Leistungshalbleitern der nächsten Generation als Standardprodukte im Leistungsbereich von 10 W bis 450 W an. Unsere AC-Netzteile mit Leistungshalbleitern der nächsten Generation vereinen einen hohen Wirkungsgrad mit einem kompakten Gehäuse. Durch umfassende Prüfungen stellen wir sicher, dass auch bei kompakter Bauweise eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet ist.

Produktpalette nach Ausgangsleistung

Wählen Sie die passende Serie entsprechend der benötigten Ausgangsleistung.

10W/12W/15W/18W/24W/45W/65W/100W/160W/200W/450W

Alle Serien finden Sie in der Übersicht der kompakten Netzteile mit Leistungshalbleitern der nächsten Generation. Informationen zu Netzteilen mit USB-PD-Unterstützung finden Sie unter USB-PD-Netzteile.

Ergebnisse der Größenreduzierung

Die folgende Tabelle zeigt Beispiele für die Größen- und Gewichtsreduzierung unserer AC-Adapter mit Leistungshalbleitern der nächsten Generation. Das Vergleichsprodukt unterscheidet sich je nach Produkte.

Größenvergleich zwischen unserem 200-W-AC-Adapter (vorne) und unserem bisherigen Produkt (hinten)

Wenn Standardprodukte nicht passen, bieten wir kundenspezifische Netzteile an

Wenn Standardprodukte die Anforderungen an Ausgangsleistung, Bauform, Kabel, Etikettierung oder Sicherheitsnormen nicht erfüllen, bieten wir kundenspezifische Netzteile an. Unser Angebot umfasst sowohl semikundenspezifische Lösungen, bei denen nur die erforderlichen Komponenten eines Standardprodukts angepasst werden, als auch vollständig kundenspezifische Lösungen, die von Grund auf neu entwickelt werden.

Auch bei Netzadaptern mit Leistungshalbleitern der nächsten Generation können wir Ausgangsspannung, Steckerform, Kabelspezifikationen, Schutz- und Überwachungsfunktionen sowie die EMC-Optimierung an Ihre Geräte anpassen. Gerne beraten wir Sie auch zu Prototypen und Evaluierungen. Selbst wenn die gewünschte Ausgangsleistung oder Bauform nicht von unseren Standardprodukten abgedeckt wird, teilen Sie uns bitte zunächst Ihre Anforderungen mit. Beispiele für kundenspezifische Lösungen finden Sie auf der Seite Kundenspezifische Lösungen.

Häufig gestellte Fragen zu AC-Adaptern mit GaN

Schmilzt GaN (Galliumnitrid) bei etwa 30 °C?

Nein. Metallisches Gallium schmilzt bei etwa 30 °C. GaN ist eine Verbindung aus Gallium und Stickstoff. Im Gegensatz zu Gallium schmilzt GaN nicht bei niedrigen Temperaturen. GaN wird aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber hohen Spannungen und Temperaturen als Halbleiter in Leistungsbauelementen eingesetzt.

Welche Ausgangsleistungen sind für AC-Adapter mit Leistungshalbleitern der nächsten Generation verfügbar?

Wir bieten Standardprodukte mit Leistungen von 10 W bis 450 W an. Die nach Ausgangsleistung gegliederten Serien finden Sie in der Übersicht der kompakten AC-Adapter mit Leistungshalbleitern der nächsten Generation.

Was kann ich tun, wenn kein Standardprodukt mit der passenden Ausgangsleistung oder Bauform verfügbar ist?

Wir bieten Ihnen eine kundenspezifische Stromversorgung an. Dabei sind sowohl teilkundenspezifische Lösungen auf Basis eines Standardprodukts als auch vollständig kundenspezifische Neuentwicklungen möglich. Teilen Sie uns bitte die erforderliche Ausgangsleistung, Bauform, Einsatzumgebung und Sicherheitsnormen mit.

Anfrage zu Netzteilen mit Halbleitern der nächsten Generation

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