GaN erhöht die Leistungsdichte von Stromversorgungen

Vor zehn Jahren setzte die mit einer Million Dollar dotierte Little Box Challenge von Google und dem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ein klares technisches Ziel: die Verkleinerung eines 2-kW-Wechselrichters auf weniger als 40 Kubikzoll bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad. Bei der Umsetzung dieser Vorgaben konzentrierten sich viele der teilnehmenden Entwicklerteams auf Leistungshalbleiter aus Galliumnitrid (GaN), da diese einen vielversprechenden Weg zu höheren Schaltfrequenzen und geringeren Verlusten boten. Rückblickend prämierte der Wettbewerb ein cleveres Systemdesign und zeigte zugleich, dass GaN ein wichtiger Baustein für höhere Leistungsdichten werden könnte.

Warum GaN für höhere Leistungsdichte wichtig wird

Seither hat sich die Elektrifizierung von einem Zukunftstrend zu einer breit umgesetzten Realität entwickelt. Elektromobilität, erneuerbare Energieerzeugung und Rechenzentren für KI-Anwendungen sind allesamt auf eine effizientere Leistungswandlung bei geringerem Platzbedarf und niedrigeren Wärmeverlusten angewiesen. Entwickler streben daher einen höheren Wirkungsgrad an, um die Wärmeentwicklung zu reduzieren, sowie höhere Schaltfrequenzen, um passive Bauteile wie Induktivitäten, Transformatoren und Kondensatoren kleiner dimensionieren zu können. Genau hier kommt GaN ins Spiel, da es bei geeigneter Auslegung höhere Leistungsdichten ermöglichen kann.

Auf Bauteilebene reduzieren GaN-Transistoren im Vergleich zu Silizium in vielen Anwendungen die Leitungs- und Schaltverluste und ermöglichen schnellere Schaltvorgänge. Auf Systemebene führt dies in der Regel zu einer höheren erreichbaren Leistungsdichte und in vielen Designs zu einem geringeren Gewicht, da passive Bauelemente und Kühlkörper kleiner dimensioniert werden können. Auch das thermische Verhalten spielt eine Rolle, denn im Vergleich zu Siliziumschaltern können GaN-Bauteile in Kombination mit geeigneten Gehäusen und Layouts Vorteile in Designs mit hohen Schaltfrequenzen, hoher Leistungsdichte und entsprechend anspruchsvoller thermischer Auslegung bieten. Aus diesem Grund werden sie derzeit für Anwendungen wie Stromversorgungen für KI-Server und Zwischenbuswandler (Intermediate Bus Converters, IBC) evaluiert und eingesetzt.

Power Electronics: Warum Sicherheit und EMI entscheidend sind

SiC, GaN, Megawatt-Charging und kompakte Inverter treiben die Leistungselektronik voran. Beim digitalen Thementag ging es darum, warum Strommessung, Isolationsüberwachung und EMI-Design jetzt besonders wichtig werden. Die Aufzeichnung ist jetzt verfügbar.

Schnelles Schalten braucht sauberes Layout

Die Vorteile von GaN stellen sich allerdings nicht automatisch ein. Schnelles Schalten erfordert eine sorgfältige Planung des Leiterplattenlayouts, insbesondere mit Blick auf das Gate-Loop-Design, die daraus resultierenden parasitären Effekte sowie die Auslegung von EMI- und Schutzschaltungen. Bei Lösungen mit integrierten Treibern sind diese Aspekte weniger kritisch. Für diskrete Transistor-Designs hingegen wird die Auswahl des Gate-Treibers zu einem entscheidenden Leistungsfaktor. Zur Unterstützung stehen im Gate-Treiber-Portfolio von Infineon isolierte und nicht isolierte Ein- und Zweikanal-Treiber zur Verfügung, die speziell auf GaN zugeschnitten sind. Dazu gehören Optionen mit echtem Differenzeingang in der EiceDRIVER-1EDN-TDI-Familie, die den Einsatz in Umgebungen mit schnellen Flankenraten erleichtern.

Infineon und Innoscience streiten über GaN-Urteile

Infineon meldet weitere Erfolge im GaN-Patentstreit mit Innoscience. Der chinesische Wettbewerber sieht seine aktuellen Produkte jedoch nicht betroffen und verweist auf eine andere Lesart der Urteile.

Gehäuse beeinflussen Wärme, Montage und Integration

Die Gehäuseauswahl ist ein weiterer praxisrelevanter Faktor, der das thermische Verhalten, die Herstellbarkeit und die Montageoptionen beeinflusst. Im Spannungsbereich von 60 bis 200 V vereinfachen Bauteile in PQFN-Gehäusen mit Abmessungen von 3 x 3 mm² und 3 x 5 mm² sowie der Feuchtigkeitsempfindlichkeitsklasse 1 die Lagerung und Handhabung. Das neu angekündigte RQFN-Gehäuse von Infineon bietet hierbei einen zusätzlichen Vorteil, da es die Umstellung von Silizium-MOSFETs auf GaN durch ein footprintkompatibles Design erleichtert. Für höhere Spannungsklassen ab 600 V bringen oberflächenmontierte Gehäuseoptionen wie TOLL, TOLT und ThinPAK mit 5 x 6 mm², DFN mit 8 x 8 mm² sowie DSO-Varianten mit Kühlung an der Ober- und Unterseite unterschiedliche Abwägungen bei Platzbedarf, Kühlkonzept und mechanischer Integration mit sich.

300-mm-Wafer sollen GaN skalierbarer machen

Eine zentrale Frage für die nächste Phase der GaN-Einführung ist die Skalierbarkeit. Da GaN zunehmend in Industrie-, Automotive- und IT-Anwendungen eingesetzt wird, muss die Leistungsfähigkeit der Bauteile mit reproduzierbarer Qualität, stabiler Versorgung und wettbewerbsfähigen Kosten einhergehen. Ein wesentlicher Schritt in diese Richtung ist die Umstellung der Fertigung auf 300-mm-Wafer. Im September 2024 gab Infineon die erfolgreiche Entwicklung des weltweit ersten 300-mm-GaN-Wafers bekannt, wobei das Unternehmen seine etablierte Fertigungsbasis für 300-mm-Silizium nutzte. Seit Ende 2025 sind erste Kundenmuster von 300-mm-GaN verfügbar. Neben der höheren Kapazität ist die Umstellung auch wirtschaftlich relevant, da größere Waferdurchmesser grundsätzlich bessere Voraussetzungen für Skalierung und Kosteneffizienz schaffen.

Die Anwendung entscheidet über das Halbleitermaterial

Für Systementwickler richtet sich die Materialauswahl zunehmend nach dem Anwendungsfall. Silizium bleibt für viele kostenoptimierte Schaltungsstufen eine gute Wahl, während Siliziumkarbid bei höheren Spannungen und in einigen Hochleistungsanwendungen der Energieinfrastruktur bevorzugt wird. GaN ist dagegen besonders vorteilhaft, wenn Schaltfrequenz und Leistungsdichte die Gesamtgröße und den Wirkungsgrad des Systems bestimmen. Das gilt etwa für neue Rechenzentrumsarchitekturen wie die 800-V-HVDC-Verteilung. Solche Architekturen sollen Verteilverluste reduzieren und die Stromversorgung dichter gepackter Serverracks effizienter machen, wobei die Hochfrequenzumwandlung auf platzbeschränkten Leiterplatten eine wichtige Rolle spielt.

GaN auf dem Weg in reale Anwendungen

Die Little Box Challenge zeigte, dass enge technische Vorgaben neue Lösungsansätze fördern können. Auch heute ist sie noch ein nützlicher Maßstab. Neue GaN-Produkte und -Lösungen werden für Anwendungen entwickelt, die vor wenigen Jahren noch deutlich schwieriger umzusetzen waren. Zehn Jahre nach dem 1-Million-Dollar-Wettbewerb steht weniger die grundsätzliche Machbarkeit im Vordergrund als die Frage, wie sich GaN effizient, zuverlässig und skalierbar in reale Systeme integrieren lässt – von Stromversorgungen für KI-Server über industrielle Leistungselektronik bis hin zu neuen Energiearchitekturen.