Den GaN-Hype neu betrachtet: Warum Silizium immer noch sinnvoll ist

Den GaN-Hype neu überdenken: Warum Silizium immer noch sinnvoll ist

Trotz der wachsenden Begeisterung für Galliumnitrid (GaN) behauptet sich Silizium (Si) weiterhin stark in vielen Anwendungen von Leistungsmodulen, einschließlich der Unterstützung von Rechenzentren, die sich speziell mit rechenintensiven KI-Workloads befassen.

Obwohl GaN überzeugende Vorteile in Bezug auf Schaltgeschwindigkeit und Effizienz bietet, sollte die Entscheidung zur Neuentwicklung eines Leistungsmoduls auf einem realen Systemnutzen basieren – und nicht nur auf dem Reiz der neuen Technologie.

Tatsächlich erreichen einige Leistungsmodule mit Silizium bereits einen besseren Wirkungsgrad als 97%, wodurch sie mit GaN sehr konkurrenzfähig sind.

Warum Silizium immer noch so leistungsfähig ist

1. Reif und zuverlässig

Erstens ist Silizium die dominierende Technologie und bietet alle Vorteile der Reife und Stabilität des Ökosystems: darunter jahrelange Optimierung, Designwerkzeuge und Zuverlässigkeitsdaten.

Silizium blickt auf jahrzehntelange Entwicklung zurück. Das bedeutet bessere Modellierungswerkzeuge, umfangreiche Zuverlässigkeitsdaten, gut verstandenes thermisches Verhalten und eine breite Palette qualifizierter Zulieferer. Ingenieure vertrauen auf siliziumbasierte Komponenten und haben bereits etablierte Arbeitsabläufe, Testumgebungen und Layoutstrategien dafür entwickelt.

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die bewährte Zuverlässigkeit von Silizium: Siliziumbasierte Leistungsmodule sind bereits für unternehmenskritische Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen qualifiziert.

2. Fortschrittliche Technologie

Silizium-Bauelementhersteller verbessern kontinuierlich die Effizienz: Neueste Generationen von Superjunction-MOSFETs und Trench-Strukturen konkurrieren in vielen Anwendungsfällen mit GaN. Fortschrittliche Superjunction-Designs haben den Effizienzunterschied zu GaN bei vielen Spannungspegeln verringert (insbesondere für Anwendungen unter 60 V).

Hinsichtlich Wärmeleistung und Gehäuse: Doppelseitige Kühlung und fortschrittliche Gehäuse machen moderne Siliziummodule wettbewerbsfähiger. Verbesserte Gehäuse – darunter doppelseitige Kühlung, Kühlung von oben und induktivitätsarme Gehäuse – tragen dazu bei, den Wärmewiderstand von Siliziummodulen effektiver zu steuern. In Kombination mit optimierten thermischen Schnittstellen in Leistungsmodulen können Siliziumbauelemente nun bei gleichem Formfaktor mehr Leistung übertragen.

3. Geringere Kosten und einfachere Integration

Silizium ist weiterhin kostengünstiger und mit bestehenden Systemen kompatibel. Für viele Anwendungen ist der Preis nach wie vor entscheidend. Silizium profitiert von der Massenproduktion und ausgereiften Fertigungsanlagen, die für planbare Kosten und stabile Lieferketten sorgen.

GaN kann nach wie vor einen Kostenaufschlag sowohl für das Bauelement selbst als auch für den notwendigen Aufwand zur Neugestaltung oder Qualifizierung eines Systems mit sich bringen, um GaN hinzuzufügen.

Wann GaN sinnvoll ist

Trotz der Vorteile von Silizium spielt GaN eine wichtige Rolle in der Leistungselektronik, insbesondere dort, wo eine extrem hohe Schaltfrequenz, minimale Größe oder ein extrem schnelles Einschwingverhalten von entscheidender Bedeutung sind.

Beispielsweise viele HF-Leistungsverstärker in 5G Telekommunikationsanwendungen Aufgrund der hohen inhärenten Durchbruchspannung, der hohen Leistungsdichte, der großen Bandbreite und des höheren Wirkungsgrads von Silizium-LDMOS-Transistoren haben sich Entwickler für GaN-Transistoren entschieden. Diese 5G-Systeme benötigen in allen relevanten Komponenten, einschließlich der DC/DC-Wandlung im Stromversorgungssystem, hohe Effizienz. Unternehmen, die skalierbare, auf Platinen montierte Stromversorgungslösungen wie die Flex-Leistungsmodule entwickeln und fertigen, setzen hier neue Maßstäbe, um Silizium-basierte Module fit für die Herausforderungen der 5G-Welt zu machen.

Tatsächlich erfüllen oder übertreffen in vielen KI- und Telekommunikationsanwendungen bereits die aktuellen siliziumbasierten Lösungen die Systemanforderungen, ohne dass der Aufwand für eine Neugestaltung durch den Wechsel zu GaN entsteht.

Die richtige Lösung auswählen

Trotz der Vorteile von GaN ist eine komplette Neuentwicklung nur zur Einführung dieser Technologie nicht immer die beste Verwendung von Ressourcen, insbesondere wenn Siliziumlösungen noch hochgradig optimiert sind.

Bei Flex Power Modules prüfen wir kontinuierlich, wo neue Technologien Mehrwert bieten. GaN ist in vielen Anwendungen ein leistungsstarker Wegbereiter – in anderen hingegen liefern unsere siliziumbasierten Wandler, wie beispielsweise die BMR350-Serie, herausragende Leistung mit bewährter Zuverlässigkeit und Effizienz über 97%, ganz ohne kostspielige Systemumgestaltungen oder zusätzliche EMV-Vorkehrungen.

Weitere Faktoren, die wir berücksichtigen müssen, sind Preis, Qualität, Zweitlieferanten und ob ein GaN-Bauelement tatsächlich nennenswerte Leistungsverbesserungen auf Produktebene bietet. Bisher lautet die Antwort: “Es reicht nicht aus.” Allerdings hat sich die Entwicklung von GaN schneller vollzogen als die von Silizium, und wir bei Flex Power Modules halten uns stets über die neuesten Entwicklungen der Branche auf dem Laufenden.

Ganz gleich, welchen Anwendungsbereich Sie haben, das technische Team von Flex Power Modules kann Ihnen dabei helfen, zu beurteilen, ob sich ein Wechsel zu GaN lohnt. Kontaktiere uns für fachkundige und objektive Beratung zu Herausforderungen im Bereich der Energieversorgung.