Geringere Verlustleistung, höhere Spannungsfähigkeit, weniger Kühlbedarf und bald auch eine Kostenparität mit Silizium: GaN-Halbleiter werden immer beliebter.
In Hochvoltanwendungen bis 800 V dürfte sich in naher Zukunft GaN-Leistungshalbleiter durchsetzen.
Andreas Burkert
Das Ineffiziente ist in der Elektromobilität auch deshalb verpönt, weil es die Reichweite schmälert. Denn damit wäre neben der Antriebsleistung ein wichtiger Fürsprecher für die moderne Mobilität verloren. Die Hoffnung der Elektromobilität ruht deshalb auch auf einer effizienten Bereitstellung der Antriebsenergie – und sie basiert im Konkreten auf Fortschritten im Bereich der Galliumnitrid (GaN)-Halbleiter. Im Vergleich zu traditionellen Silizium-Halbleitern (Si) bieten GaN-Bauteile Vorteile wie geringere Verlustleistung, höhere Spannungsfähigkeit und weniger Kühlbedarf, was sie besonders für die Elektrifizierung attraktiv macht.
So zumindest waren die Erwartungen, wie sie vor zweieinhalb Jahren im Beitrag Sind Galliumnitrid-Halbleiter die Zukunft? geäußert wurden. Viele davon haben sich zwischenzeitlich erfüllt. Und auch hinsichtlich der Kostenparität mit Silizium ist man erheblich weitergekommen. Für Infineon sind die aktuellen Zahlen nun Anlass genug, sich optimistisch zu zeigen.
Akzeptanz von GaN wird stark steigen
In einer Stellungsnahme spricht Infineon von einem Durchbruch und sagt voraus, dass "wir in diesem Jahr und darüber hinaus eine höhere Akzeptanz von GaN erleben." Im Speziellen sieht Infineon den Einsatz von GaN-Halbleitern im Bereich On-Board-Charger und DC-DC-Wandler. Gerade vor dem Hintergrund einer Verschiebung hin zu 20-kW-Systemen und mehr könnte diese Halbleitertechnik in Elektrofahrzeugen zu einer höheren Ladeeffizienz, Leistungsdichte und Materialnachhaltigkeit beitragen.
Zusammen mit High-End-Siliziumkarbid-Lösungen wird GaN auch die Effizienz von Traktionswechselrichtern für 400-V- und 800-V-EV-Systeme vorantreiben und somit größere Reichweiten ermöglichen. Zwar dominiert Siliziumkarbid (SiC) derzeit bei Hochspannungsanwendungen (über 1200 V), GaN gewinnt zunehmend bei Anwendungen bis 600-800 V an Boden, vor allem wegen der Kostenvorteile und der hohen Schaltfrequenz. Noch aber ist der Anteil von GaN im Vergleich zu anderen Halbleitern, wie Silizium oder Siliziumkarbid SiC) relativ gering.
Fortschritte in der 300-mm-Wafer-Produktion
Prognosen von Yole Développement deuten allerdings darauf hin, dass der Marktanteil von GaN-Halbleitern in den kommenden Jahren deutlich steigen wird, da die Kosten sinken – auch dank Fortschritten wie Infineons 300-mm-Wafer-Produktion. Zudem nimmt die Nachfrage nach effizienteren Elektrofahrzeugen zu. Bis Ende des Jahrzehnts könnte GaN in der Leistungselektronik von Automobilen also einen Anteil von 10 bis 15 % oder mehr erreichen.
Die Erfolge beruhen auch auf die Bemühungen des Forschungsprojekt UltimateGaN, das sich auf die Entwicklung der nächsten Generation von Gallium-Nitrid (GaN)-Technologien konzentriert. Besonders hervorzuheben ist, dass das Konsortium aus 26 Partnern aus neun Ländern es geschafft hat, die Technologie entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu optimieren – von der Materialentwicklung über das Design bis hin zur Integration in Systeme. Dies hat dazu beigetragen, die Kosten wettbewerbsfähig zu gestalten und die Zuverlässigkeit der Bauteile zu erhöhen, etwa durch fortschrittliche Fehlerdiagnostik und Prozessoptimierung.
