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

Dies ist eine Seite mit einer Erklärung zu AC-Adaptern und Schaltnetzteilen, die mit dem als Halbleiter der nächsten Generation bezeichneten GaN (Galliumnitrid)-IC ausgestattet sind. Wird im von UNIFIVE entwickelten USB-PD-Adapter eingesetzt.

Next-Generation-Halbleiter: Was ist ein GaN-bestücktes AC-Netzteil?

Was ist GaN?

In letzter Zeit sieht man in Elektronikfachmärkten immer häufiger USB-AC-Adapter mit GaN-PD. Das "GaN" steht für Galliumnitrid, ein vielbeachtetes Material der nächsten Generation, das im Bereich der Leistungselektronik revolutionäre Veränderungen bewirkt. Über viele Jahrzehnte hinweg spielten siliziumbasierte MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) eine zentrale Rolle bei der Umwandlung von Energie in elektrische Leistung und sind aus dem modernen Alltag nicht wegzudenken. Allerdings stoßen Verbesserungen und Effizienzsteigerungen bei herkömmlichen Silizium-MOSFETs an theoretische Grenzen, sodass mit heutigen Technologien kaum noch weiteres Optimierungspotenzial besteht.

Darüber hinaus sind in den letzten Jahren die Anforderungen an Leistungsdichte und Energieeffizienz gestiegen. Vor allem in Industrieländern werden zunehmend Vorschriften eingeführt, um Umweltverschmutzung einzudämmen. Silizium als Material ist jedoch nur schwer mit diesen umweltorientierten Entwicklungen vereinbar. Im Vergleich dazu besitzt Galliumnitrid Eigenschaften, die den steigenden Anforderungen an Effizienz, Leistung und Leistungsdichte in Stromversorgungssystemen gerecht werden. Daher verbreitet es sich zunehmend als Schlüsseltechnologie für Leistungsschalter der nächsten Generation, die Silizium ersetzen sollen.

Was ist Galliumnitrid?

Galliumnitrid kommt in der Natur nicht als Element vor. Es fällt in der Regel als Nebenprodukt bei der Raffination von Aluminium aus Bauxit oder bei der Verarbeitung von Zinkerz an, wodurch bei der Gewinnung und Reinigung nur sehr geringe CO2-Emissionen entstehen. Jährlich werden über 300 Tonnen Gallium produziert, und die weltweiten Reserven werden auf über 1 Million Tonnen geschätzt. Da es als Nebenprodukt entsteht, ist es mit etwa 300 USD pro kg vergleichsweise günstig - rund 1/200 des Preises von Gold mit etwa 60.000 USD pro kg.

Neben seinen Umweltvorteilen ist es ein binärer III/V-direkter Übergangshalbleiter und eignet sich als Material für Hochleistungstransistoren, die auch bei hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten.

Geschichte von GaN

Der Schmelzpunkt von reinem Gallium liegt bei nur etwa 30°C und kann bei Körpertemperatur in der Hand schmelzen. Bis zur ersten Synthese von Galliumnitrid vergingen weitere rund 65 Jahre, und erst in den 1960er-Jahren gelang es, einkristalline GaN-Schichten zu züchten. Die Verbindung GaN besitzt einen Schmelzpunkt von über 1.600°C und liegt damit etwa 200°C über dem von Silizium.

1972 wurde eine GaN-basierte LED mit Magnesiumdotierung entwickelt - ein bahnbrechendes Ereignis. Obwohl sie anfangs noch nicht hell genug für kommerzielle Anwendungen war, war sie die erste LED, die blauviolettes Licht emittieren konnte.

Seit den 1990er-Jahren wird Galliumnitrid breit in Leuchtdioden (LEDs) eingesetzt. Es emittiert blaues Licht, das beispielsweise zum Auslesen von Blu-ray-Discs verwendet wird. Darüber hinaus findet GaN Anwendung in Halbleiter-Leistungsbauelementen, RF-Komponenten, Lasern und der Photonik. Künftig soll es auch im Bereich der Sensortechnologie eingesetzt werden.

Im Jahr 2006 begann die Herstellung von Enhancement-Mode-GaN-Transistoren (auch GaN-FET genannt), bei denen mittels MOCVD-Verfahren GaN-Dünnschichten auf einer AlN-Schicht eines Standard-Siliziumwafers aufgebracht werden. Die AlN-Schicht dient als Puffer zwischen Substrat und GaN. Dieses neue Verfahren ermöglicht die Herstellung von GaN-Transistoren in bestehenden Siliziumfabriken mit nahezu identischen Produktionsprozessen. Durch die Nutzung etablierter Prozesse können niedrige Herstellungskosten wie bei Silizium erzielt und gleichzeitig die Einführung leistungsfähigerer und kompakterer Transistoren erleichtert werden. Jedes Halbleitermaterial besitzt eine sogenannte Bandlücke, also einen Energiebereich im Festkörper, in dem keine Elektronenzustände existieren. Vereinfacht gesagt beschreibt die Bandlücke, wie gut ein Material Elektrizität leiten kann. Während Silizium eine Bandlücke von 1,12 eV besitzt, beträgt sie bei Galliumnitrid 3,4 eV. Die größere Bandlücke bedeutet, dass GaN höheren Spannungen und Temperaturen standhält als Silizium-MOSFETs.

Dank dieser großen Bandlücke eignet sich Galliumnitrid für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen in der Optoelektronik. Da GaN bei deutlich höheren Temperaturen und Spannungen arbeiten kann als Galliumarsenid (GaAs)-Transistoren, gilt es auch als ideal für Leistungsverstärker in Mikrowellen- und Terahertz(THz)-Anwendungen wie Imaging und Sensing.

Vorteile von GaN

Welche Vorteile ergeben sich, wenn GaN, das Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen in der Optoelektronik ermöglicht, in AC-Netzteilen eingesetzt wird? Im Folgenden werden die wichtigsten Vorteile erläutert.

GaN wird häufig mit siliziumbasierten Materialien verglichen. Siliziumbasierte MOSFETs, die derzeit den Standard darstellen, werden in Stromversorgungsschaltern für AC/DC-Netzteile, DC/DC-Wandler, Motorsteuerungen und viele weitere Anwendungen von einigen Dutzend bis hin zu mehreren Tausend Watt eingesetzt. Verpackung, Einschaltwiderstand RDS, Nennspannung und Schaltgeschwindigkeit wurden kontinuierlich verbessert.

Allerdings nähern sich siliziumbasierte Halbleiter aufgrund jahrzehntelanger technologischer Fortschritte ihren theoretischen Grenzen, sodass kaum weiteres Verbesserungspotenzial besteht. GaN-basierte Leistungsbauelemente hingegen sind Hoch-Elektronenbeweglichkeitstransistoren mit höherer kritischer Feldstärke als Silizium. Die höhere Elektronenbeweglichkeit bedeutet eine höhere elektrische Feldstärke. Bei gleichem Einschaltwiderstand und gleicher Durchbruchspannung sind GaN-Bauelemente kleiner als Siliziumhalbleiter.

GaN-FETs zeichnen sich durch sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten und hervorragende Rückwärtserholungseigenschaften aus, die für geringe Verluste und hohe Effizienz entscheidend sind. Derzeit sind viele GaN-FETs mit 600/650V Nennspannung auf dem Markt erhältlich.

Die wichtigsten Vorteile beim Einsatz in AC-Netzteilen sind die folgenden drei Punkte:

Wärmemanagement

Aufgrund der großen Bandlücke besitzt GaN eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium. Dadurch können GaN-basierte Geräte bei höheren Temperaturen arbeiten und effizienter gekühlt werden, was das Netzteil kühler hält und vor Hitzeschäden schützt.

Kompaktere Bauweise durch höhere Leistungsdichte

Da Schaltfrequenz und Betriebstemperatur höher sind als bei siliziumbasierten Komponenten, können Kühlkörper verkleinert, Lüfter zur Luftkühlung reduziert oder eingespart und magnetische Bauteile verkleinert werden. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen zudem kleinere Induktivitäten und Kondensatoren in Netzteilschaltungen. Dadurch verringert sich die Anzahl der verbauten Komponenten, was eine kompaktere Gehäusegröße erlaubt.

Reduzierung von Geräuschentwicklung und Ermöglichung drahtloser Energieübertragung

Höhere Frequenzen reduzieren akustische Geräusche bei motorgetriebenen Anwendungen. Zudem ermöglichen sie eine drahtlose Energieübertragung mit höherer Leistung, erhöhen die räumliche Flexibilität und vergrößern den Luftspalt zwischen Sender und Empfänger. Derzeit wird diese Technologie auch für die Energieversorgung von Elektrofahrzeugen erforscht.

GaN-bestücktes AC-Netzteil entwickelt von UNIFIVE

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