Die IEEE hat eine strategische Roadmap für Wide-Bandgap-Halbleiter wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid vorgestellt. (Bild: IEEE)
Bei Wide-Bandgap-Halbleitern (WBG) wie SiC und GaN ist die Bandlücke, also der Energieunterschied zwischen isolierendem und leitendem Zustand (Valenzband und Leitband), deutlich höher als bei Silizium. Folglich verbraucht Leistungselektronik auf WBG-Basis weniger Energie, kann mit höheren Spannungen umgehen, funktioniert auch bei sehr hohen Temperaturen und erlaubt höhere Schaltfrequenzen.
Aber die Technologie ist noch vergleichsweise neu und WBG-Bauelemente sind teurer als solche basierend auf der bewährten Silizium-Technologie. Um den Einsatz der WBG-Technologie zu fördern, hat die IEEE Power Electronics Society (PELS) kürzlich die International Technology Roadmap for Wide Bandgap Power Semiconductors (ITRW) veröffentlicht. Die Roadmap ist ein strategischer Blick auf die langfristige Landschaft der WBG-Halbleiter, auf ihre Zukunft, Trends und zukünftige Möglichkeiten. Laut IEEE-Fellow Braham Ferreira, Vorsitzender des ITRW-Lenkungsausschusses, ist der Zweck des Dokuments, eine Beschleunigung des F&E-Prozesses zu erleichtern, um das Potenzial der Technologie voll auszuschöpfen.
Arbeitsgruppen des ITRW-Komitees
Das Roadmap-Komitee ist in Arbeitsgruppen unterteilt, die sich auf vier Bereiche konzentrieren: Substrate und Bauelemente, Module und Gehäuse, GaN-Systeme und -Anwendungen sowie SiC-Systeme und -Anwendungen. An den Arbeiten nehmen Experten aus aller Welt teil, darunter Materialwissenschaftler und Ingenieure, Bauelementespezialisten und Forscher, politische Entscheidungsträger sowie Vertreter aus Industrie und Wissenschaft. Die Roadmap zeigt die wichtigsten Trends, Design-Herausforderungen und potenziellen Anwendungen auf und gibt einen Ausblick auf zukünftige Einsatzgebiete.
Die Roadmap legt kurzfristige (fünf Jahre), mittelfristige (fünf bis 15 Jahre) und langfristige Ziele für die Kommerzialisierung von SiC- und GaN-Lösungen fest.
Warum sind Wide-Bandgap-Halbleiter so wichtig?
Laut der ITRW-Zusammenfassung gibt es mehrere Gründe für die Verwendung von WBG-Halbleitern für die Leistungselektronik und andere Anwendungen. SiC- und GaN-Bauelemente werden immer erschwinglicher und weit verbreitet. Sie bieten auch eine Leistung, die mit Silizium nicht erreichbar ist. Die neue Generation von WBG-Halbleiterbauelementen in SiC- und GaN-Leistungswandlern hat das Potenzial, 100 bis 1000 Mal höhere Schaltfrequenzen zu erreichen als ihre Silizium-Pendants.
Auch der Wirkungsgrad der Wandler ist deutlich höher. Bei einem Silizium-Wandler liegt dieser laut Ferreira bei etwa 95 Prozent. Mit einem WBG-Wandler liegt der Wirkungsgrad jedoch näher an 99 Prozent. Die Zusammenfassung der Roadmap listet die Märkte auf, die am meisten von der Einführung der WBG-Technologie profitieren könnten, einschließlich der Märkte für Photovoltaik-Umrichter, Hybrid- und rein elektrische Fahrzeugantriebe und Datenzentren.
Prädestiniert für den Weltraumeinsatz
Die Verfasser der Roadmap sehen auch klare Vorteile für die Technologie in strahlungsgehärteten elektronischen Systemen, die im Weltraum und an anderen Orten mit hoher Strahlungsbelastung zum Einsatz kommen. Gerade mit der immer stärker aufgestellten New-Space-Bewegung setzen Satellitenhersteller die inhärent strahlungsgehärteten Bauelemente für die Stromversorgung von beispielsweise Kleinsatelliten im Low-Earth-Orbit ein. Was GaN-FETs in Schaltnetzteilen für den Weltraumeinsatz leisten, zeigt dieser Beitrag.
(na)
