Vorteile von GaN und SiC in der Industrieelektronik

Einer der wichtigsten Trends in der Fertigung ist die Verbesserung der industriellen Energieeffizienz. Da die Welt zunehmend auf elektrische Quellen zurückgreift, läuft dies häufig darauf hinaus, den Betrieb der Leistungselektronik zu verbessern, beispielsweise um maximale Einsparungen durch Investitionen in energieeffiziente Motoren zu erzielen.

Die meisten Elektronikgeräte setzen heute auf Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), die im Jahr 1959 bei Bell Labs erfunden wurden und in den frühen 1960er Jahren breite Zustimmung gefunden haben. MOSFETs steuern die elektrische Leitfähigkeit des Gerätekanals, indem sie die an den Gate-Anschluss angelegte Spannung ändern, wodurch eine Signalverstärkung oder -umschaltung und eine Leistungsverarbeitung ermöglicht werden.

Der Hauptvorteil eines MOSFETs gegenüber herkömmlichen Bipolartransistoren besteht darin, dass sie nahezu keinen Eingangsstrom zur Steuerung des Laststroms benötigen. Sie haben jedoch gewisse Nachteile, darunter eine kurze Lebensdauer und eine hohe Überspannungsanfälligkeit.

Neuere Materialien werden jetzt verfügbar, die wesentliche Verbesserungen gegenüber siliziumbasierten Bausteinen ermöglichen und weniger Verluste und höhere Geschwindigkeiten bei niedrigeren Kosten bieten.

Zu diesen neuen Materialien gehören Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN).

Eines der Merkmale dieser neueren Materialien ist ein größeres Bandgap. Dies ist ein Energiebereich in einem Festkörper, in dem keine Elektronen existieren können, und ist einer der Faktoren, wie gut ein Festkörpermaterial Elektrizität leiten kann – je größer das Bandgap ist, desto höher ist die Spannung und Temperatur, denen es standhalten kann.

Was ist Galliumnitrid?

Galliumnitrid (GaN) ist ein sehr harter und mechanisch stabiler Halbleiter. Mit einem großen Bandgap von etwa 3,2 eV bietet es eine viel höhere Durchschlagfestigkeit, eine höhere Schaltfrequenz, eine bessere Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigeren Widerstand als siliziumbasierte Alternativen mit Bandgaps von etwa 1,12 eV.

Dieses große Bandgap ermöglicht den Einsatz von GaN für optoelektronische Hochleistungs- und Hochfrequenzgeräte. GaN-MOSFETs sind beispielsweise die ideale Basis für Leistungsverstärker für Mikrowellen- und Terahertz-Geräte (ThZ) in Anwendungen wie Bildgebung und Sensorik sowie HF-Bauelementen und Leuchtdioden (LEDs). Diese Vorteile führen dazu, dass GaN seine Fähigkeit, Siliziumhalbleiter in Leistungsumwandlungs-, HF- und Analoganwendungen zu verdrängen, unter Beweis gestellt hat.

Da GaN-Quarze auf einer Vielzahl von Substraten, einschließlich Silizium, herangezüchtet werden können, kann die vorhandene Silizium-Herstellungsinfrastruktur verwendet werden, einschließlich bestehender Lagerbestände von Siliziumwafern mit großem Durchmesser.

GaN hat mehrere vorteilhafte Eigenschaften im Vergleich zu Silizium. Zum Beispiel einen geringeren Einschaltwiderstand, der zu geringeren Leitfähigkeitsverlusten und damit zu geringeren Energiekosten führt. Da GaN-Halbleiter von Natur aus effizienter sind als Silizium, wird weniger Energie als Wärme verbraucht, was zu kleineren Systemgrößen und damit niedrigeren Materialkosten führt.

Das Material sorgt auch für schnellere Geräte mit höherer Schaltfrequenz, was wiederum den Einsatz kleinerer Induktivitäten und Kondensatoren in Leistungsschaltungen ermöglicht. Eine 10-fache Frequenzerhöhung bringt eine 10-fache Abnahme der Kapazität und Induktivität mit sich, was zu einer wesentlichen Reduktion bei Gewicht, Volumen und Kosten führt. Höhere Frequenzen können auch weniger akustische Geräusche bei Motorantriebsanwendungen erzeugen. Sie können auch eine drahtlose Stromübertragung bei höheren Leistungen und eine größere Übertragung ermöglichen, um Luftspalte zwischen dem Ladeelement und dem geladenen Gerät zu empfangen.

Mit höheren Schaltfrequenzen und Betriebstemperaturen als Silizium haben GaN-Bausteine geringere Kühlanforderungen und können kleinere Kühlkörper verwenden sowie von der Flüssigkeitskühlung zur Luftkühlung übergehen, wodurch die Notwendigkeit von Ventilatoren entfällt.

GaN-Halbleiter reduzieren auch die Gesamtsystemkosten. Obwohl GaN-Halbleiter im Allgemeinen teurer sind als Silizium, können durch die Reduzierung der Größe und der Kosten von Bauteilen wie passiven induktiven und kapazitiven Elementen, Filtern und Kühlung Einsparungen in der Größenordnung von 10-20 % erzielt werden.

Was ist Siliziumkarbid?

Siliziumkarbid (SiC) ist ein Verbindungshalbleiter aus Silizium und Karbid. Mit einem Bandgap, das bei 3,4 eV dreimal größer ist als Silizium, bietet es mehrere Vorteile, darunter das Zehnfache der elektrischen Durchschlagstromfeldstärke – dies ermöglicht es, viel höhere Spannungen für Leistungsbauelemente zu konfigurieren, die von 600 V bis zu Tausenden von Volt reichen.

SiC ermöglicht es, gleichzeitig hohe Spannungsfestigkeit, niedrigen Einschaltwiderstand, Hochgeschwindigkeitsbetrieb und deutlich höhere Temperaturen zu erreichen, wodurch das Anwendungsspektrum erheblich erweitert wird. Im Wesentlichen ermöglicht SiC eine Leistung, die mit Silizium allein nicht erreichbar ist, was es zum tragfähigsten Nachfolger von Silizium für Leistungsbauelemente der nächsten Generation macht.

Der größte Teil des Widerstandsanteils von Hochspannungsbauelementen befindet sich in der Driftschicht, sodass SiC es ermöglicht, bei äußerst niedrigem Einschaltwiderstand pro Einheitsfläche höhere Haltespannungen zu erzielen – theoretisch kann der Driftschichtwiderstand pro Fläche um das 300-fache gegenüber Silizium bei gleicher Spannungsfestigkeit reduziert werden.

Die Vorteile von SiC und GaN gegenüber herkömmlichem Silizium

Die Geschichte des Energieverbrauchs umfasste die Entdeckung der effizientesten Möglichkeiten, Energie von ihrer Quellenform in ihre endgültige Anwendung umzuwandeln.

Heute denken wir verstärkt darüber nach, wie wir die Generatorleistung am effizientesten in eine Endspannung für eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Anwendungen umwandeln können – von industriellen Motorantrieben bis hin zu EV-Batterieladegeräten.

Bei der Energieumwandlung werden irgendwann mit ziemlicher Sicherheit Leistungshalbleiterschalter zum Einsatz kommen, von denen Silizium-basierte Typen in Form von Si-MOSFETs und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) seit Jahrzehnten der Standard sind.

Die mit der Verwendung von Siliziumschaltern verbundene Verlustleistung ist jedoch seit langem ein Faktor, der zur Ineffizienz des Systems beiträgt. Bis vor Kurzem gab es dafür nur wenige Alternativen.

Wie jedoch bereits gezeigt wurde, weisen SiC- und GaN-basierte Halbleiter Eigenschaften auf, welche die Leistungsumwandlungseffizienz nachweislich verbessern.

Dabei ist zu beachten, dass diese Halbleiter mit Si-basierten Chips nicht Hot-Swap-fähig sind. Anwendungsschaltungen müssen aufeinander abgestimmt sein, insbesondere wenn der volle Leistungsnutzen erzielt werden soll.

Anwendungen von SiC- und GaN-Bausteinen

SiC-Bausteine haben sich als robuste, hochmoderne Treiber in einer wachsenden Anzahl von Anwendungen bewährt. Bestehende Anwendungen mit Si-MOSFETs oder auch IGBTs können sicher mit SiC-Bauelementen nachgerüstet werden. Um die größtmöglichen Vorteile von SiC zu erreichen, können auch von Grund auf neue Designs realisiert werden, welche die höheren Schaltfrequenzen und miniaturisierte magnetische Bauelemente nutzen.

GaN-Bausteine werden bei Anwendungen mit niedrigerer Spannung bevorzugt, da die Zusammensetzung des Materials das beste Gleichgewicht zwischen Effizienz und Leistung ermöglicht. Zu den wahrscheinlichen Anwendungen gehören Solarwechselrichter, DC/DC-Wandler für die Telekommunikation, Audioverstärker der Klasse D und einphasige AC-Netzteile.

Energiesparpotenzial von SiC und GaN für die Industrie

SiC- und GaN-Technologien in Transistoren haben erhebliche Auswirkungen auf wachstumsstarke Märkte.

Zum Beispiel:

• Elektrofahrzeuge (EVs) und Transport: Verbesserungen bei der Effizienz führen zu niedrigeren Batteriekosten und mehr Reichweite pro Aufladung.
• EV-Ladeinfrastruktur: Eine größere Leistungsbereitstellung und die Reduzierung der Ladezeit um mehr als die Hälfte ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber Lösungen, die nur auf Silizium basieren.
• Erneuerbare Energie: SiC-Transistoren reduzieren die Verlustleistung um 50 %, was wiederum direkt die Kosten der Energieerzeugung senkt.
• Industrielle Netzteile: Effizienzsteigerungen um bis zu 10 % bei kW-Netzteilen bieten überzeugende OPEX-Verbesserungen wie eine geringere Laufzeit und niedrigere Wartungskosten.
• 5G und Kommunikation: GaN hat im Vergleich zu Alternativen eine höhere Bandbreite und Leistungsdichte und ist für die globale Entwicklung und Bereitstellung von 5G (und darüber hinaus) von entscheidender Bedeutung.

Fazit

Sowohl GaN- als auch SiC-Chips bieten Vorteile für bestimmte Anwendungen und sind daher nicht direkt konkurrenzfähig. Ihre Eigenschaften bedeuten jedoch, dass jeder Markt jetzt bestimmte Märkte dominiert. So wird erwartet, dass Ladegeräte für Unterhaltungselektronik bis 2026 66 % des GaN-Chipmarktes ausmachen werden, während Kfz-Anwendungen, hauptsächlich BEVs, für bis zu 60 % des SiC-Chipmarktes verantwortlich sein könnten.

Die Vorteile, die sie bei der Energieeffizienz in Verbindung mit der kompakten Größe bieten, revolutionieren die Stromversorgungsoptionen, die jetzt Verbrauchern und der Industrie zur Verfügung stehen, und sind attraktive Plattformen, die wiederum erheblich zu einer nachhaltigeren Energieversorgung und -nutzung beitragen.