Die Rolle von GaN und SiC bei der Reduzierung von Treibhausgas (GHG)-Emissionen

SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid) sind zwei Halbleitermaterialien, die in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit als Alternative zu siliziumbasierten Leistungselektronik-Bauelementen erhalten haben.

Ladan Judge

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Die Rolle von GaN und SiC bei der Reduzierung von Treibhausgas (GHG)-Emissionen

Leistungselektronik wie Dioden, Thyristoren, Transistoren, Gleichrichter und Wechselrichter wird zur Umwandlung und Steuerung elektrischer Energie von einer Form in eine andere eingesetzt. Effizienz, Zuverlässigkeit, Leistung sowie Größe, Gewicht und Kosten der dabei verwendeten Rohmaterialien sind daher von zentraler Bedeutung.

Die Bedeutung der Leistungselektronik wächst, da sie in verschiedenen Systemen für erneuerbare Energien Anwendung findet, die in den Bereichen Transport, Industrie, Unterhaltungselektronik und weiteren aufstrebenden Branchen genutzt werden. 

SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid) sind zwei Halbleitermaterialien, die in den letzten Jahren erhebliche Aufmerksamkeit als Alternativen zur siliziumbasierten Leistungselektronik gewonnen haben. 

Sowohl SiC als auch GaN bieten gegenüber konventioneller siliziumbasierter Leistungselektronik mehrere Vorteile. 

GaN wird in Hochleistungsanwendungen wie LED-Beleuchtung, HF-Verstärkern, Verteidigungstechnik und Automobilanwendungen eingesetzt. GaN wurde erstmals in den 2000er Jahren kommerziell für Leuchtdioden (LEDs) und Halbleiterlaser verwendet und war das erste Halbleitermaterial, das zuverlässig helles grünes, blaues, violettes und ultraviolettes Licht emittieren konnte. Siliziumkarbid (SiC) ist eine Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff, die sich durch hohe Wärmeleitfähigkeit und eine breite Bandlücke auszeichnet. Beide Materialien kommen inzwischen in der Leistungselektronik zum Einsatz, da sie bei höheren Spannungen und Temperaturen betrieben werden können als herkömmliche siliziumbasierte Bauelemente.

Einige spezifische Anwendungen von SiC- und GaN-Bauelementen in der Leistungselektronik sind:

  • Hochfrequenz-Stromrichter: SiC- und GaN-Bauelemente können bei hohen Frequenzen betrieben werden und eignen sich daher für Hochfrequenz-Stromrichter wie Schaltnetzteile (SMPS) und DC-DC-Wandler.
  • Leistungsfaktor-Korrektur (PFC): SiC- und GaN-Bauelemente können den Leistungsfaktor von AC-DC-Stromversorgungen verbessern, was zu höherer Effizienz und geringerer Oberschwingungsverzerrung führt.
  • Solarwechselrichter: SiC- und GaN-Bauelemente können in Solarwechselrichtern eingesetzt werden, um Gleichstrom von Solarpanels in Wechselstrom für Haushalte und Unternehmen umzuwandeln.
  • Elektrofahrzeuge: SiC- und GaN-Bauelemente können in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen genutzt werden, um die Effizienz zu steigern, das Gewicht zu reduzieren und die Reichweite zu erhöhen.
  • Luft- und Raumfahrtanwendungen: SiC- und GaN-Bauelemente sind aufgrund ihrer Temperatur- und Strahlenbeständigkeit ideal für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, beispielsweise als Stromversorgungen für Satelliten und Raumsonden.

Insgesamt wächst der Einsatz von SiC- und GaN-Bauelementen in der Leistungselektronik rasant – angetrieben durch den Bedarf nach höherer Effizienz, geringeren Systemkosten und -größen sowie besserer Leistung in Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen.

Die Verwendung von SiC- und GaN-Bauelementen in der Leistungselektronik ist vielversprechend für die Reduzierung von Treibhausgasemissionen. Diese Bauelemente bieten höhere Effizienz, wodurch bei der Energieumwandlung weniger Energie verloren geht. Das führt zu niedrigerem Stromverbrauch und verringerten Emissionen. Sie können zudem in erneuerbaren Energiesystemen wie Solar- und Windenergie eingesetzt werden, um die Effizienz zu steigern und die Stromerzeugungskosten zu senken. Darüber hinaus lassen sich SiC- und GaN-Bauelemente in Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen nutzen, um die Effizienz zu erhöhen, die Reichweite zu verbessern und Emissionen durch konventionelle Fahrzeuge mit fossilem Brennstoff zu reduzieren. Die umfassenden Vorteile von SiC- und GaN-Bauelementen in der Leistungselektronik leisten somit einen bedeutenden Beitrag zur Verringerung von Treibhausgasemissionen und zur Förderung einer saubereren, nachhaltigeren Zukunft.

Wie bei jeder technologischen Entwicklung steht auch hier der Wettbewerb um die marktbeherrschende Technologie im Fokus. Laut Forschung dominiert derzeit die Siliziumkarbid-(SiC-)Technologie in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge (EV) und anderen Anwendungen, bei denen hohe Sperrspannungen, Leistungsverarbeitung und niederfrequente Performance entscheidend sind. Für Hochfrequenz-Anwendungen wie 5G- und 6G-Basisstationen, Radar sowie bei Hochfrequenz-Stromwandlung wie Mikro-Wechselrichtern, Netzteilen und Steckernetzteilen empfiehlt sich jedoch die Galliumnitrid-(GaN-)Technologie. Mehr erfahren.