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

Dies ist eine Seite, die den AC-Adapter und das Schaltnetzteil mit dem GaN (Galliumnitrid)-IC erklärt, das als Halbleiter der nächsten Generation gilt. Es wird im USB-PD-Adapter verwendet, der von Unifive entwickelt wurde.

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

Was ist GaN?

In letzter Zeit sieht man in Elektronikfachgeschäften häufig USB-AC-Adapter mit GaN PD. Dieses „GaN“ steht für Galliumnitrid, ein innovatives Material der nächsten Generation im Bereich der Leistungselektronik. Über Jahrzehnte hinweg waren auf Silizium basierende MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) maßgeblich an der Umwandlung von Energie in elektrische Leistung beteiligt und gelten bis heute als unverzichtbar für das moderne Leben. Dennoch stößt die Verbesserung von Silizium-MOSFETs hinsichtlich Energieeffizienz an theoretische Grenzen und nähert sich mit heutiger Technik einer Leistungsgrenze ohne weiteres Verbesserungspotenzial.

In den letzten Jahren steigt die Anforderung an Leistungsdichte und Energieeffizienz, und im Zuge der globalen Umweltregulierungen, die vor allem von Industrieländern vorangetrieben werden, zeigt sich, dass Silizium nur schwer einem umweltbewussten Trend gerecht wird. Im Gegensatz dazu verfügt Galliumnitrid über Eigenschaften, die besser auf die steigenden Anforderungen an Effizienz, Leistung und Leistungsdichte von Stromversorgungssystemen reagieren und wird daher zunehmend als Schlüsseltechnologie für Leistungsschaltungen der nächsten Generation gehandelt.

Was ist Galliumnitrid?

Galliumnitrid existiert in der Natur nicht als Element. Es fällt in der Regel als Nebenprodukt bei der Aluminiumgewinnung aus Bauxit oder bei der Zinkherstellung aus Sphalerit an. Dadurch ist der CO₂-Ausstoß bei der Extraktion und Raffination äußerst gering. Weltweit werden jährlich über 300 Tonnen Gallium produziert, und die bekannten Reserven werden auf mehr als 1 Million Tonnen geschätzt. Da Gallium als Nebenprodukt anfällt, beträgt der Preis etwa 300 US-Dollar pro Kilogramm und ist damit deutlich günstiger als beispielsweise Gold, das bei rund 60.000 US-Dollar pro Kilogramm liegt.

Neben den Umweltvorteilen eignet sich dieses Material, das zur III/V-Halbleitergruppe mit direktem Bandübergang zählt, auch als Hochleistungstransistor für den zuverlässigen Betrieb bei hohen Temperaturen.

Geschichte von GaN

Der Schmelzpunkt von reinem Gallium liegt bei nur 30 °C, sodass es schon durch Körperwärme in der Hand schmilzt. Es dauerte weitere 65 Jahre bis Galliumnitrid erstmals synthetisiert wurde. Bis in die 1960er war es nicht möglich, einkristalline GaN-Schichten zu züchten. Galliumnitrid hat einen Schmelzpunkt über 1.600 °C – 200 °C mehr als Silizium.

1972 wurde mit Magnesium dotiertes GaN zur Herstellung von LED eingesetzt – ein bahnbrechendes Ereignis. Zwar war die Helligkeit zunächst nicht ausreichend für kommerzielle Anwendungen, aber es war die erste LED, die violett-blaues Licht erzeugte.

Seit den 1990er Jahren wird Galliumnitrid zunehmend in LEDs verwendet. GaN emittiert blaues Licht, wie es zum Beispiel für Blu-ray-Discs benötigt wird. Darüber hinaus findet es auch Verwendung in Leistungshalbleitern, Hochfrequenzkomponenten, Lasern und der Photonik. In Zukunft wird der Einsatz von GaN auch im Bereich der Sensortechnologie erwartet.

2006 begann die Herstellung von GaN-FETs (auch als Enhancement-Mode GaN-Transistoren bezeichnet), bei denen durch MOCVD dünne GaN-Filme auf einer AIN-Schicht auf Standard-Silizium-Wafern gezüchtet wurden. Die AIN-Schicht dient als Puffer zwischen Substrat und GaN. Durch dieses neue Verfahren können GaN-Transistoren mit nahezu identischen Methoden wie Siliziumbauteile hergestellt werden, wodurch sie kostengünstig produziert werden können. Das senkt die Hürde für die Einführung leistungsfähiger, kompakter Transistoren erheblich. Genauer gesagt hat jedes Halbleitermaterial einen sogenannten Bandabstand – eine Energielücke, in der sich keine Elektronen befinden können. Dieser Bandabstand definiert, wie leitfähig ein Festkörper ist. Während Silizium einen Bandabstand von 1,12 eV aufweist, beträgt der von Galliumnitrid 3,4 eV. Das bedeutet, dass GaN höheren Spannungen und Temperaturen standhält als Silizium-MOSFETs.

Der breite Bandabstand erlaubt den Einsatz von Galliumnitrid in Hochleistungs-Geräten für Optoelektronik und Hochfrequenzanwendungen. Da GaN höhere Temperaturen und Spannungen als Galliumarsenid-Transistoren (GaAs) verträgt, ist es ideal für Leistungsendstufen in Mikrowellen- und Terahertzgeräten wie Imaging- und Sensorsystemen.

Was sind die Vorteile von GaN?

Welche Vorteile bietet die Verwendung von GaN – einem Material, das Anwendungen in hochleistungsfähigen und Hochfrequenz-Optoelektronikgeräten ermöglicht – in AC-Adaptern? Im Folgenden werden die Vorzüge von GaN-AC-Adaptern erläutert.

GaN wird oft mit auf Silizium basierenden Komponenten verglichen. Die derzeit gängigen MOSFETs auf Siliziumbasis finden in unterschiedlichsten Leis­tungsanwendungen wie AC/DC-Stromquellen, DC/DC-Wandlern oder Motorsteuerungen breite Anwendung – von wenigen Watt bis zu mehreren Kilowatt. Dabei wurden Verpackungen, Einschaltwiderstand (RDS), Nennspannungen und Schaltgeschwindigkeit kontinuierlich verbessert.

Doch die auf Silizium basierenden Halbleiter stoßen aufgrund jahrzehntelanger technologischer Weiterentwicklung an ihre theoretischen Grenzen. Demgegenüber sind GaN-basierte Leistungskomponenten Hochgeschwindigkeitstransistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit und hoher Durchbruchfeldstärke. Diese hohe Mobilität bedeutet, dass GaN eine höhere elektrische Feldstärke aushält als Silizium, und bei gleichem Einschaltwiderstand und Sperrspannung lässt sich ein wesentlich kompakteres Bauteil realisieren.

GaN-FETs bieten eine sehr schnelle Schaltgeschwindigkeit und exzellente Rückerholungscharakteristik – beides entscheidend für verlustarmen und hocheffizienten Betrieb. Gegenwärtig sind 600/650-V-FETs auf GaN-Basis für viele Märkte erhältlich.

Für den Einsatz in AC-Adaptern lassen sich drei Hauptvorteile nennen:

Wirkung auf Wärmeentwicklung

GaN besitzt durch seinen weiten Bandabstand eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Silizium. Dies ermöglicht den Betrieb bei höheren Temperaturen und eine effizientere Kühlung, wodurch der Adapter kühl bleibt und vor hitzebedingten Schäden geschützt wird.

Miniaturisierung durch höhere Leistungsdichte

Durch höhere Schaltfrequenzen und Betriebstemperaturen im Vergleich zu Siliziumbauteilen können kleinere Kühlkörper verwendet oder Lüfter vermieden sowie elektromagnetische Effekte verringert werden. Höhere Schaltfrequenzen der GaN-Komponenten ermöglichen eine Verkleinerung von Induktivitäten und Kondensatoren, wodurch auch das Gehäusevolumen des Adapters reduziert werden kann.

Reduzierung akustischer Geräusche, Ermöglichung drahtloser Energieübertragung

Höhere Frequenzen verringern akustische Geräusche bei motorgetriebenen Anwendungen. Zudem ermöglichen sie die drahtlose Energieübertragung bei höheren Leistungen, verbessern die räumliche Flexibilität und erhöhen das mögliche Luftspaltmaß zwischen Sender und Empfänger. Derzeit wird diese Technologie auch für kabelloses Laden von Elektrofahrzeugen erforscht.

Von UNIFIVE entwickelter AC-Adapter mit GaN

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