Materialien für breiten Bandlücken wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) haben lange darauf hoffen lassen, dass sie die Systemkosten der Designs verringern können, da sie bessere Werte für On-Widerstand und Durchschlagsspannung bieten und kleinere Transistoren als ihre entsprechenden Gegenstück auf Siliziumbasis ermöglichen.
Die Bandlücke eines Materials hängt zusammen mit der Stärke der chemischen Bindungen zwischen den Atomen im Gitter. Diese stärkeren Bindungen haben zur Folge, dass es für das Elektron schwerer wird, von einem Ring auf den nächsten zu springen. Daraus folgen für Halbleiter mit breiteren Bandlücken geringere intrinsische Leckströme und höhere Betriebstemperaturen. Diese Verbesserungen bieten höhere Effizienz und Zuverlässigkeit in der Energieumwandlung und bessere Kosteneffizienz.
Preisparität GaN vs. Si
In der Halbleiterbranche nimmt man allgemein an, dass SiC vor allem für Schaltungen für mehr als 900 V und GaN für Schaltungen unter 900 V verwendet wird. Kürzlich haben einige GaN-Produzenten die Kosten für GaN-Halbleiter auf die Kosten vergleichbarer Si-basierter Halbleiter gesenkt. Schauen wir uns GaN-Schaltungen vor diesem Hintergrund an, und wo sie eingesetzt werden, wenn Preisparität mit Silizium besteht. Die jüngsten Familien der eGaN-FETs von EPC sind z. B. mittlerweile günstiger als Silizium-MOSFETs mit demselben On-Widerstand und gleichen Spannungsangaben. Das ist das erste Mal in 60 Jahren, dass ein Halbleiter, der nicht aus Silizium besteht, eine höhere Leistung und einen niedrigeren Preis aufweist als sein Gegenstück in Silizium. Diese eGaN-FETs wurden Mai 2015 vorgestellt und beginnen nun, MOSFETs in traditionellen Hochburgen wie Point-of-Load-DC/DC-Wandlern und isolierten DC/DC-Wandlern für Server und Telecom-Ausrüstung zu verdrängen.
Vorteile von GaN
Firmen, die GaN-Lösungen herstellen, suchen ihre Nischen mit Schaltungen zwischen 600 V und höher (GaN Systems und Transphorm), während andere ihren Markt bei Spannungen unter 250 V finden (EPC). Transphorm ist beispielsweise die erste Firma mit einer JEDEC-qualifizierten Einheit, die bei >600 V läuft. Sie meinen, dass GaN zunehmend bei Datenzentren und Telecom-Stromversorgungen Verwendung findet, da es eine brückenlose Blindleistungskompensation mit Wirkungsgraden bietet, die höher sind als die Titanium+-Einstufung von Energy Star (90 bis 94 Prozent Wirkungsgrad an allen Lasten). Transphorm sagt, dass die ersten Schaltungen jetzt in die Produktion gehen. Photovoltaik-Wechselrichter aus GaN sind 50 Prozent kleiner und wiegen 50 Prozent weniger als solche aus Silizium. Transphorm sagt, sie arbeiteten mit Yaskawa und Tata an neuen GaN-basierten PV-Wechselrichtern.
LED-Beleuchtung ist ein weiteres aufstrebendes GaN-Design, behauptet Transphorm, da es für den Treiber eine viel höhere Dichte erlaubt. Eine Firma für Studiobeleuchtung hat bei der CineGear Expo z. B. ein Produkt beworben, das GaN verwendet, um das Vorschaltgerät um 70 Prozent zu verkleinern und das Gewicht um 50 Prozent zu senken.
EPC sagt, dass kabellose Stromversorgung, RF-Hüllkurven-Tracking, LiDAR, Satelliten und verschiedene medizinische Anwendungen eGaN-FETs verwenden aufgrund des Geschwindigkeits- und Größenvorteils. Bei der kabellosen Stromversorgung sind es hauptsächlich die Geschwindigkeitsvorteile, da die Übertragungsfrequenz von 6,78 MHz für Silizium zu hoch ist. Beim RF-Hüllkurven-Tracking ist es ebenfalls die Geschwindigkeit, da die geforderten Schaltgeschwindigkeiten sogar für LDMOS-Transistoren zu hoch sind. LiDAR-Systeme verwenden die Lichtgeschwindigkeit, um den Abstand zu einem Objekt zu messen. Die Geschwindigkeit des eGaN-FETs ist von direktem Vorteil für die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Messung. Deshalb sind eGaN-FETs vorherrschend bei autonomen Fahrzeugen auf LiDAR-Basis und Vermessungsfahrzeugen. eGaN-FETs besitzen außerdem eine natürliche Toleranz der Strahlung im Weltraum. Dies hat viele Satellitenhersteller motiviert, eGaN-FET-basierte DC/DC-Wandler und LiDAR-Systeme in weltraumgestützte Produkte zu implementieren.
Auch viele medizinische Anwendungen der Stromversorgung fordern den Betrieb bei hohen Frequenzen, die konventionelle Si-Lösungen nicht bieten können, da ihre Grenzen erreicht sind. Der Einsatz von GaN ermöglicht den Kunden, mit hoher Zuverlässigkeit bei der gewünschten Frequenz zu arbeiten, Dank geringerem Leistungsverlust und geringerer Wärmeabstrahlung der GaN-Lösungen. Covidien veröffentlichte ein Papier über APEC-Verfahren, in dem eine Schaltung für ein chirurgisches Messer mit 1 MHz mit GaN-Design vorgestellt wurde.
Breitbandlücken im Automotive-Bereich
Dr. Achim Strass, Application Engineering Manager bei Infineon, sagte über IDTechEx, dass die primären Trends bei Traktionswandlern für elektrische Fahrzeuge (EV) Breitbandlückenhalbleiter seien, die beidseitige Kühlung sowie die Herstellung winkeltreuer Formen für Nabenmotoren und Integration in andere Teile. Die Verringerung der Kosten und erhöhte Robustheit sind wichtig. Wechselrichter werden komplexer und gleichen dadurch die Kostensenkungen wieder aus. Außerdem behauptet Dr. Strass, das Traktionswechselrichter der drittwichtigste Kostenfaktor in einem EV bleiben und prozentual in der Entwicklung von einem Motor zu mehreren Motoren pro Fahrzeug noch ansteigen werden. Es gibt bereits einen Trend zur Verwendung von mehr als einem Motor pro Fahrzeug, Sodass der Wechselrichtermarkt schneller wächst als die gesamte e-Fahrzeugbranche.
Im IDTechEx-Report, Power Electronics for Electric Vehicles 2015–2025, sagt Dr. Peter Harrop, Chairman von IDTechEx, “Kluge Hersteller nehmen bereits den Kampf auf mit dem, was die noch spätere Welle von Bauteilen bieten kann, z. B. Lithium-Ionen-Kondensatoren und GaN-Halbleiter. Die Hersteller auf dem Freien Markt in China werden folgen müssen. Anderenfalls werden sie von ihren Kunden übergangen, genau wie bei den Nabenmotoren des meistverkauften rein elektrischen Busses der Welt – dem K9von BYD aus China, die ihre wichtigsten Bauteile selbst anfertigen.”
Wohin kein Silizium gehen kann
Die Zukunft für Material für breiten Bandabstand wie GaN leuchtet hell, da es Schaltungslösungen ermöglicht, welche Si-Technologien einfach nicht bieten können. Das RF-Hüllkurven-Tracking beschreibt ein Konzept, bei dem die Versorgungsspannung für den Leistungsverstärker kontinuierlich eingestellt wird, um sicherzustellen, dass der Verstärker in jedem Moment der Übertragung mit der höchsten Leistungseffizienz arbeitet. Wie Alex Lidow, CEO von EPC, erklärt, gibt es dieses Konzept bereits seit 1929, es war aber nicht möglich, es in Verbindung mit Röhren oder Silizium zu nutzen, noch nicht einmal mit High-Speed-LDMOS-Transistoren. Es erfordert einfach zu hohe Frequenzen und zu hohe Leistungswirkungsgrade. Das Konzept wird genutzt, um für die mobile Kommunikation noch mehr digitale Bandbreite aus RF-Verstärkern herauszuholen. Mit den eGaN-FETs gibt es jetzt Transistoren die leistungsfähig genug sind, deren Spannung hoch genug ist, und die schnell genug sind, um dieses Konzept tatsächlich anzuwenden. Das gleiche gilt für die Koloskopie-Pille, die in Israel von Check Cap entwickelt wurde. Dies ist ein hoch entwickeltes, hoch auflösendes Röntgengerät, das zu einer kleinen Pille verkleinert wurde, die verschluckt werden kann. Die Röntgeninformationen werden kabellos an einen Empfänger übermittelt, und die Pille ist so kostengünstig (teils dank der niedrigen Kosten der eGaN-FETs), dass sie nach der Anwendung nicht mehr geborgen werden muss. Das Ergebnis ist eine unproblematische, sehr genaue und kostengünstige Koloskopie für die massenhafte Anwendung.