Entwickler evaluieren den Einsatz von GaN-Bauteilen in kostensensitiven Anwendungen wie Stromversorgungen oder im Automotive-Bereich. Denn in einer starken Wertschöpfungskette konnten die Produktionskosten für den Wide-Bandgap-Halbleiter gesenkt werden.

Der Wide-Bandgap Halbleiter GaN (Galliumnitrid) steht zwar erst seit 2010 als Grundlage für Leistungsbauelemente in der Leistungselektronik zur kommerziellen Nutzung zur Verfügung, dennoch konnten hierdurch bereits eine Vielzahl von neuen Anwendungen realisiert werden. Da sich die Produktionskosten von GaN Halbleitern mittlerweile in einem auch für konservative Entwickler rentablen Bereich bewegen, sind auch diese vom Einsatz des Wide-Bandgab-Halbleiters GaN nicht abgeneigt.

GaN als neue führende Technologie in der Leistungselektronik

Damit sich eine neue Technologie am bestehenden Markt behaupten bzw. durchsetzen kann muss sie folgende vier Kriterien erfüllen:

  1. Sie muss neue Anwendungen ermöglichen
  2. Eine einfache Verwendung muss gegeben sein
  3. Es muss eine hohe Kosteneffizienz geboten sein
  4. Sie muss eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen

Vergleicht man die heute zur Verfügung stehenden GaN-Bauteile mit den eingesetzten Siliziumlösungen, so kann man eine um den Faktor fünf bis 50 bessere Nutzbarkeit erkennen. Diese Erkenntnis führte wiederum zu neuen Technologien, welche erst auf Grundlange des Wide-Bandgap Halbleiters GaN ermöglicht wurden. Konkrete Beispiele hierfür wären etwa Lidar (Light Detection and Ranging) für autonome Autos, ferngesteuerte Drohnen und die Industrieautomatisierung. Das erste Kriterium erfüllt also Galliumnitrid auf voller Strecke.

Das Zweites Kriterium befasst sich mit der einfachen Verwendbarkeit. Leistungswandler, welche als Grundlage Galliumnitrid verwenden, verfügen über einen höheren Wirkungsgrad, mehr Leistungsdichte und niedrigere Gesamtsystemkosten als siliziumbasierte Alternativen. Der Wide-Bandgab-Halbleiter GaN erfüllt also auch dieses Kriterium, und stellt nebenbei siliziumbasierte Bauteile in den Schatten.

Die Herstellung von GaN-Transistoren sowie den integrierten Schaltkreisen ist den Silizium-Leistungs-MOSFETs ähnlich, jedoch mit viel weniger Verarbeitungsschritte verbunden, was folglich auch zu einer deutlicheren kosteneffizienz führt. Auch können mehr Bauelemente produziert werden da diese deutlich kleiner sind als ihre Silizium-Pendants. Ein weiterer nicht unerheblicher Kostenpunkt ist die nötige Schutzverpackung des empfindlichen Silizium-Vorgängers bei spannungswerten unter 500 V. Diese ist bei GaN-Transistoren nicht notwendig. Allein dieser Kostenvorteil senkt die Herstellungskosten um 50 %.

Das letzte Kriterium ist die Zuverlässigkeit der neuen Technologie – hierfür müssen die JEDEC Standardtests für Halbleiter bestanden werden. GaN-Bauteile bewältigen diese problemlos. Auch die strengere Qualifizierungsanforderungen der Automobilindustrie (AECQ-101) stellen in den meisten Fällen keine Schwierigkeiten dar. Zusammenfassend kann man also sagen, dass der Wide-Bandgap-Halbleiter GaN nicht nur alle vier Kriterien erfüllt, sondern auch seinem Silizium-Vorgänger in allen Punkten überlegen ist.

GaN bei 48-V-DC/DC-Wandlern

Der Einsatz von 48-V-DC/DC-Wandlern ist heutzutage allgegenwärtig. Zum Einsatz kommen sie etwa bei Cloud basierten Hyperscale Datenzentren und künstlichen Intelligenzen sowie dem Aufkommen von 5G. Galliumnitrid bzw. GaN-FETs und ICs weißen hierbei aufgrund ihrer verbesserten Schaltleistung eine höhere Leistungsdichte sowie eine effizientere 48-V-Stromversorgung auf. Zu dieser Erkenntnis sind auch Entwickler von Stromversorgungen gekommen, weshalb vermehrt Galliumnitrid zum Einsatz kommt. Auch der Fortschritt in der Automobilindustrie verlangt nach effizienteren Lösungen für die kompakten Systeme. Daher sind GaN-Transistoren die ideale Lösung für die 48-V-Versorgung von Hybrid-Fahrzeugen. Die Systeme können mittels GaN kostengünstiger entwickelt werden und sind zugleich deutlich leichter als alternativ zur Verfügung stehende Lösungen. Der wohl jedoch wichtigste Aspekt ist die deutliche Erhöhung des Wirkungsgrades, welcher erst durch die GaN-Technologie ermöglicht werden konnte.

GaN als Grundlage für Lidar

Eine der wohl wichtigsten technologischen Errungenschaften im autonomen Fahren ist Lidar. Diese konnte erst durch den Einsatz von GaN, genauer gesagt GaN-Bauelementen realisiert werden. Hierbei senden die Lidar-Sensoren Lichtimpulse aus und messen dadurch die Reflexionen. Durch dieses Verfahren können die Positionen und Entfernungen von umliegenden Objekten erfasst werden. Kommen also heutzutage Lidar-Systeme in Fahrzeugen zum Einsatz, so kann man diese als die Augen des Autos bezeichnen. Um jedoch eine ausreichende Reichweite der Licht- bzw. Laserimpulse zu ermöglichen wurden hierfür bisher komplexe Schaltungen und teure Halbleiter benötigen. Durch den Fortschritt der GaN-Technologie war es in den vergangenen Jahren möglich, kostengünstigere GaN-Leistungs-FETs und ICs herzustellen und diese hierfür zu nutzen. Der Ausschlaggebende Vorteil gegenüber bisherigen Silizium-MOSFETs war jedoch die deutlich geringere Induktivität bei gleichzeitig bis zu zehnfach höheren Schaltfrequenzen.

GaN in Präzisions-Motorsteuerungen

E-Bikes, E-Roller, Drohnen, Robotik – all das sind Beispiele, in denen präzise Motorantriebe immer mehr Verwendung finden. Hierbei bietet ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) viel Leistung, eine präzise Steuerung und einen hohen Wirkungsgrad auf kleinem Bauraum. Angesteuert werden die Motoren durch Inverterschaltungen, welche traditionelle MOSFETs verwenden. Stellt man nun die typischen Silizium-MOSFETs den GaN-Fets gegenüber, so weisen die GaN-FETs eine deutlich höhere Schaltfrequenz auf. Das Resultat ist eine höhere Positionierungsgenauigkeit sowie eine erhöhte Effizienz. Weitere Vorteile bei der Verwendung von GaN bei präzisen Motorantrieben wären unter anderem folgende:

  • höhere Leistung
  • weniger benötigter Platz
  • kürzere Ansprechzeiten
  • geringeres Gewicht der Motoren

Galliumnitrid als Technologie der Zukunft

Bereits heute steigert sich die Leistung der GaN-FETs rapide und ist bei weitem noch nicht bei seinem Limit angekommen. Die theoretische Leistungsgrenze ist immer noch um den Faktor 300 entfernt was also für ein starkes Wachstumspotenzial in den kommenden Jahren spricht. EPC liefert die nötigen GaN-Transistoren seit einem Jahrzehnt und kann über 100 Milliarden Stunden Felderfahrung vorweisen, welche eine eindeutige Sprache sprechen. Die Ausfälle gegenüber den ausgereiften MOSFETs auf Siliziumbasis sind deutlich geringer – kurz gesagt ist Galliumnitrid (GaN) kleiner, schneller und zuverlässiger.

Lesen Sie hier den kompletten detaillierten Fachartikel von Tobias Herrmann und Jieyi Zhu.

Der Beitrag erscheint ebenfalls im elektronik journal 04/2020.