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

Diese Seite erklärt AC-Adapter und Schaltnetzteile, die mit GaN (Galliumnitrid)-ICs ausgestattet sind, welche als Halbleiter der nächsten Generation gelten. Diese Technologie wird in dem von Unifive entwickelten USB-PD-Adapter verwendet.

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

Was ist GaN?

In letzter Zeit sind USB-AC-Adapter mit GaN-PD, die man häufig in Elektronikgeschäften sieht, sehr gefragt. „GaN“ steht für Galliumnitrid, ein vielversprechendes Material der nächsten Generation, das bahnbrechende Veränderungen im Bereich der Leistungselektronik bewirkt. Über Jahrzehnte hinweg spielten auf Silizium basierende MOSFETs (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) eine zentrale Rolle bei der Energieumwandlung in elektrische Leistung und wurden zu einem unverzichtbaren Bestandteil unseres täglichen Lebens. Allerdings gibt es bei der Verbesserung von herkömmlichen Silizium-MOSFETs und ihrer Energieeffizienz theoretische Grenzen, und die heutigen Technologien haben bereits fast ihr Maximum erreicht.

Darüber hinaus steigen die Anforderungen an Leistungsdichte und Energieeffizienz stetig, und in den letzten Jahren haben vor allem Industrieländer mit der Einführung verschiedener Vorschriften reagiert, um Umweltverschmutzung zu begrenzen. In diesem Trend fällt es Silizium schwer, diesen umweltbewussten Entwicklungen gerecht zu werden. Im Gegensatz dazu bietet Galliumnitrid Eigenschaften, die auf die steigende Nachfrage nach effizienteren, leistungsstärkeren und dichter gepackten Stromversorgungssystemen abgestimmt sind, und verbreitet sich zunehmend als Schlüsseltechnologie für zukünftige Leistungsumschalter, die Silizium ersetzen könnten.

Was ist also Galliumnitrid?

Galliumnitrid kommt in der Natur nicht als Element vor. Es wird meist als Nebenprodukt bei der Raffinierung von Aluminium aus Bauxit oder bei der Herstellung von Zink aus Zinkerzen gewonnen. Daher entstehen bei seiner Gewinnung und Reinigung sehr geringe Mengen an CO2. Jährlich werden über 300 Tonnen Gallium produziert, und die weltweiten Reserven werden auf über 1 Million Tonnen geschätzt. Da es als Nebenprodukt anfällt, ist es mit rund 300 Dollar pro Kilogramm relativ kostengünstig, etwa 1/200 im Vergleich zu Gold, das rund 60.000 Dollar pro Kilogramm kostet.

Zusätzlich zu seinen Umweltvorteilen ist GaN ein Direktband-Halbleiter aus der Gruppe III/V, der auch bei hohen Temperaturen zuverlässig arbeitet und sich hervorragend für Hochleistungstransistoren eignet.

Geschichte von GaN

Reines Gallium schmilzt bereits bei 30 °C, also fast bei Körpertemperatur. Bis zum ersten Mal Galliumnitrid synthetisiert wurde, vergingen weitere 65 Jahre, und selbst in den 1960er Jahren war es noch nicht möglich, einkristalline GaN-Schichten herzustellen. Als Verbindung hat GaN einen Schmelzpunkt von über 1.600 °C, was etwa 200 °C höher ist als der von Silizium.

1972 wurde eine GaN-basierte LED entwickelt, die mit Magnesium dotiert war. Obwohl sie anfangs nicht hell genug für den kommerziellen Einsatz war, war es die erste LED, die violett-blaues Licht erzeugen konnte – ein bahnbrechender Fortschritt.

Seit den 1990er-Jahren wird GaN weit verbreitet in Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt. GaN emittiert blaues Licht, das zum Beispiel beim Lesen von Blu-ray-Discs verwendet wird. Darüber hinaus findet es Anwendung in Halbleiter-Leistungsbauelementen, HF-Komponenten, Lasern, Photonik und voraussichtlich auch in der Sensortechnologie.

2006 wurde ein GaN-FET (auch Enhancement-Mode-GaN-Transistor genannt) mithilfe der MOCVD-Technologie auf einer AIN-Schicht eines Standard-Siliziumwafers hergestellt. Die AIN-Schicht fungiert dabei als Puffer zwischen Substrat und GaN. Dieses neue Verfahren ermöglichte es, GaN-Transistoren mit ähnlichen Prozessen wie Siliziumhersteller in bestehenden Fertigungsanlagen herzustellen. Dadurch konnte die Produktion kostengünstig gehalten und leistungsstarke Miniaturtransistoren entwickelt werden. Genauer gesagt gibt es bei allen Halbleitermaterialien sogenannte Bandlücken – Energiebereiche, in denen keine elektronischen Zustände existieren. Einfach gesagt: Die Bandlücke bestimmt, wie gut ein Feststoff Strom leiten kann. Silizium hat eine Bandlücke von 1,12 eV, GaN hingegen 3,4 eV. Das bedeutet, dass GaN weitaus höheren Spannungen und Temperaturen standhält als Silizium-MOSFETs.

Dank dieser weiten Bandlücke kann GaN auch in hochleistungsfähigen und hochfrequenten optoelektronischen Bauelementen verwendet werden. Da es im Vergleich zu Galliumarsenid (GaAs) höhere Temperaturen und Spannungen verkraften kann, gilt es als ideale Lösung für Leistungsverstärker in Mikrowellen- oder Terahertz-Geräten, z.B. für Bildverarbeitung und Sensorik.

Vorteile von GaN

Welche Vorteile bietet die Verwendung von GaN – einem Material, das sich für leistungsfähige optoelektronische Hochfrequenz-Bauteile eignet – in AC-Adaptern? Im Folgenden erläutern wir diese Vorteile.

Im Allgemeinen wird GaN häufig mit Silizium verglichen. Der derzeitige Standard in Form von Silizium-basierten MOSFETs wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt – etwa in AC/DC- und DC/DC-Stromversorgungen sowie in Motorsteuerungen – vom zweistelligen Wattbereich bis zu mehreren tausend Watt. Eigenschaften wie Verpackung, Einschaltwiderstand (RDSon), Nennspannung und Schaltgeschwindigkeit wurden kontinuierlich verbessert.

Allerdings nähern sich die Leistungsfähigkeiten von Silizium-Halbleitern dank jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung allmählich ihren physikalischen Grenzen, sodass kaum noch Verbesserungen möglich sind. GaN-basierte Leistungsbauelemente hingegen sind Hochgeschwindigkeitstransistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit und einem höheren kritischen elektrischen Feld. Dank dieser hohen Beweglichkeit und höheren elektrischen Feldstärke lassen sich bei gleicher Durchbruchspannung und gleichem Einschaltwiderstand kleinere Bauteile gestalten als bei Silizium.

GaN-FETs zeichnen sich durch extrem hohe Schaltgeschwindigkeiten und exzellente Rückspeisungseigenschaften aus – entscheidende Faktoren für niedrige Verluste und hohe Effizienz. Derzeit sind GaN-FETs mit 600/650-V-Spannungsfestigkeit weit verbreitet im Handel erhältlich.

Die drei Hauptvorteile von GaN in AC-Adaptern sind:

Wärmemanagement

Aufgrund seiner breiten Bandlücke hat GaN eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium. Diese Eigenschaft ermöglicht einen Betrieb bei höheren Temperaturen und eine effizientere Kühlung, wodurch die Temperatur von AC-Adaptern niedrig gehalten wird und wärmebedingte Schäden reduziert werden können.

Miniaturisierung durch hohe Leistungsdichte

Durch höhere Schaltfrequenzen und Betriebstemperaturen im Vergleich zu Siliziumkomponenten können Kühlkörper verkleinert oder sogar Lüfter weggelassen werden. Außerdem können magnetische Verluste reduziert werden. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen es zudem, kleinere Induktivitäten und Kondensatoren in Netzteilen zu verwenden. Die geringere Anzahl an elektronischen Bauteilen erlaubt es, das Gehäuse kleiner zu gestalten.

Reduzierung von Geräuschen und kabelloser Energieübertragung

Höhere Frequenzen führen zu geringeren akustischen Geräuschen bei motorgetriebenen Anwendungen. Zudem ermöglicht die hohe Frequenz leistungsstärkere kabellose Energieübertragung, was mehr räumliche Freiheit bietet und größere Luftspalte zwischen Sender und Empfänger erlaubt. Diese Technologie wird derzeit auch im Zusammenhang mit dem Laden von Elektrofahrzeugen erforscht.

Der AC-Adapter mit GaN von Unifive

Verwandte Inhalte