Seit etwa 2001 hat die Verbindung Halbleiter-Galliumnitrid eine Beleuchtungsrevolution ausgelöst, die in gewisser Weise der schnellste technologische Wandel in der Geschichte der Menschheit ist.

SiC führt GaN im heutigen Bereich der Leistungsumwandlung an. Cree (jetzt Wolfspeed) brachte 2011 den ersten kommerziell machbaren SiC-Transistor besser als Silizium auf den Markt. Es kann 1.200 Volt blockieren und hat einen ziemlich niedrigen Widerstand von 80 m Ohm bei der Übertragung von Strom.

Im Vergleich zu GaN hat SiC weitere Vorteile. SiC MOSFET ist im Wesentlichen ein "Fail-Open"-Gerät, was bedeutet, dass der Transistor aufhört, Strom zu übertragen, wenn die Steuerschaltung aus irgendeinem Grund ausfällt. Dies ist ein wichtiges Merkmal, da es weitgehend die Möglichkeit ausschließt, dass Ausfälle zu Kurzschlüssen und Bränden oder Explosionen führen können.

Der Hauptvorteil von GaN ist seine extrem hohe Elektronenmobilität. Der Strom, der Ladungsfluss, entspricht der Ladungskonzentration multipliziert mit ihrer Geschwindigkeit. Daher können Sie aufgrund der hohen Konzentration oder hohen Geschwindigkeit oder einer Kombination aus beidem einen hohen Strom erhalten. GaN-Transistoren sind ungewöhnlich, da der größte Teil des Stroms, der durch das Gerät fließt, eher auf die Elektronengeschwindigkeit als auf die Ladungskonzentration zurückzuführen ist. In der Praxis bedeutet dies, dass weniger Ladung in das Gerät fließen muss, um es ein- oder auszuschalten als Si oder SiC. Dies wiederum reduziert die Energie, die für jeden Schaltzyklus benötigt wird, und hilft, die Effizienz zu verbessern.

In Anbetracht dieser komparativen Vorteile und Schwächen betrachten wir jede Anwendung einzeln und klären, wie sich die Dinge entwickeln können:

Wechselrichter und Konverter für Elektrofahrzeuge

Tesla führte SiC 2017 für seinen Modell 3 On-Board- oder Traktionswechselrichter ein, was ein früher großer Sieg für den Halbleiter ist. In Elektrofahrzeugen wandelt der Traktionswechselrichter den Gleichstrom der Batterie in den Wechselstrom des Motors um. Der Wechselrichter steuert auch die Drehzahl des Motors, indem er die Frequenz des Wechselstroms ändert. Die höhere Schaltgeschwindigkeit, die GaN erreichen kann, wird zu einem starken Vorteil von EV-Wechselrichtern, da diese Schalter die sogenannte Hard-Switching-Technologie verwenden. Hier besteht der Weg zur Verbesserung der Leistung darin, sehr schnell von ein- und ausgeschaltet zu schalten, um die Zeit zu minimieren, in der das Gerät eine hohe Spannung aufrechterhält und hohen Strom durchläuft.

Grid-Anwendungen

Zumindest im nächsten Jahrzehnt wird die Umwandlung der Ultrahochspannungsversorgung für Geräte mit einer Nennspannung von 3kV oder höher das SiC-Feld bleiben. Zu diesen Anwendungen gehören Systeme, die helfen, das Netz zu stabilisieren, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln und es bei der Übertragungsstufenspannung wieder umzuwandeln, und andere Anwendungen.

Handys, Tablets und Laptop-Ladegeräte

Die hohe Schaltgeschwindigkeit von GaN und seine im Allgemeinen niedrigen Kosten machen es zum dominierenden Low-Power-Märkte (25 bis 500W), wo diese Faktoren sowie kleine und robuste Lieferketten entscheidend sind.

Solar-Mikrowechselrichter

In den letzten Jahren war die Solarstromerzeugung im Netzmaßstab und in verteilten (Heim-) Anwendungen erfolgreich. Für jede Installation ist ein Wechselrichter erforderlich, um den Gleichstrom des Solarpanels in Wechselstrom umzuwandeln, das Haus mit Strom zu versorgen oder elektrische Energie in das Netz freizusetzen. Heute befinden sich Photovoltaik-Wechselrichter im Rastermaßstab im Bereich Silizium IGBT und SiC MOSFET. GaN wird jedoch insbesondere in den Markt für verteilte Solarenergie eintreten.

Mikrowechselrichter oder herkömmliche Wechselrichtersysteme sind für moderne Rechenzentren von entscheidender Bedeutung. In Verbindung mit der Batterie schufen sie eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, um Stromausfälle zu vermeiden. Darüber hinaus verwenden alle Rechenzentren Stromfaktorkorrekturschaltungen, um die Wechselstromwellenform des Netzteils anzupassen, um die Effizienz zu verbessern und die Eigenschaften zu beseitigen, die das Gerät beschädigen können. Für diese bietet GaN eine verlustarme und wirtschaftliche Lösung, die langsam Silizium ersetzt.

Das Mikrowellen-Kommunikationssystem, das Silizium auf Isolator-Technologie verwendet, bietet eine 5G+-Lösung mit hochfrequenten Siliziumgeräten, bei der die geringe Ausgangsleistung jedes Geräts durch eine große Anzahl von Arrays überwunden wird. GaN und Silizium werden in diesem Bereich für einige Zeit koexistieren. Der Gewinner einer bestimmten Anwendung hängt vom Kompromiss zwischen Systemarchitektur, Kosten und Leistung ab.

Der Kampf um die Breitbandlücke hat gerade erst begonnen.

Heute dominiert SiC EV-Wechselrichter und befindet sich normalerweise an Orten, an denen die Spannungsblockierungskapazität und die Stromverarbeitungskapazität entscheidend sind und die Frequenz niedrig ist. GaN ist die bevorzugte Technologie, die für die Hochfrequenzleistung entscheidend ist, wie 5G- und 6G-Basisstationen, sowie Radar- und Hochfrequenz-Leistungsumwandlungsanwendungen wie Wandsteckeradapter, Mikrowechselrichter und Netzteile.

Aber das Tauziehen zwischen GaN und SiC hat gerade erst begonnen. Unabhängig von Wettbewerb, einer Anwendung, einem Markt und einem Markt können wir mit Sicherheit sagen, dass die Umwelt der Erde zum Gewinner wird. Da dieser neue Zyklus der technologischen Erneuerung und Wiederbelebung unaufhaltsam ist, werden in den nächsten Jahren Milliarden Tonnen Treibhausgasemissionen vermieden.