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GaNonCMOS | Effiziente Leistungselektronik mit Galliumnitrid

Das neue EU-Projekt GaNonCMOS zielt darauf ab, galliumnitridbasierte Materialien, Geräte und Systeme auf den nächsten Level zu heben. Dies wird zu einer neuen Generation dicht integrierter Leistungselektronik führen, die preiswerte und zuverlässige Systeme für energieintensive Anwendungen ermöglicht. PNO Consultants ist Partner im GaNonCMOS-Konsortium.

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GaNonCMOS


Um den sprunghaft steigenden Energiebedarf der Weltwirtschaft in den kommenden Jahrzehnten decken zu können, gibt es nur einen einzigen nachhaltigen Weg: Energie sparen! Dank neuster Forschungsanstrengungen wird die Leistungselektronik einen wichtigen Beitrag für eine effiziente Nutzung elektrischer Energie leisten können.

Vor allem die Verwendung des Halbleiters Galliumnitrid – anstelle des klassischen Siliziums – ist zukunftsweisend und wird die Stromnutzung auf vielen Maßstabsebenen revolutionieren. Für Elektronik-Unternehmen besteht jetzt die besondere Chance, diese Entwicklung mitzugestalten und von der Schlüsseltechnologie zu profitieren.

Energiebedarf ohne Ende?

In den kommenden 15 Jahren könnte der weltweite Energieverbrauch um ein Drittel ansteigen. Verantwortlich dafür sind wirtschaftliche, gesellschaftliche und technologische Dynamiken, die voraussichtlich global und unumkehrbar wirken werden:
  • Die Digitalisierung unserer Gesellschaft mag weit fortgeschritten erscheinen, steht aber erst am Anfang. „Smart Housing“, vernetzte Freizeitwelten und Big-Data-Commerce erfordern größere Rechenleistungen im privaten Bereich sowie in Unternehmen. Ursprünglich simple Haushaltsgeräte entwickeln sich zunehmend zu Kleincomputern – und unsere Rechenzentren werden bald Hunderte von Terawattstunden an Energie pro Jahr verschlingen.
  • Langfristig wächst die Weltwirtschaft um knapp vier Prozent jährlich. Daran gekoppelt steigt der globale Energiebedarf pro Jahr um durchschnittlich knapp drei Prozent. Bei dieser Gesamtrechnung werden die Effizienzsteigerungen in den westlichen Industrieländern durch den zunehmenden Energiebedarf in den aufstrebenden Schwellenländern relativiert.
  • Vor allem in Asien wächst die Zahl gut verdienender – und entsprechend Energie nachfragender – Konsumenten jährlich um etliche Millionen. Nach Schätzungen wird es in China in fünf Jahren rund 220 Millionen Haushalte mit einer Kaufkraft von über 15.000 US-Dollar geben. Diese wohlhabende Bevölkerungsschicht wird vergleichbar mit europäischen Maßstäben Auto fahren, reisen sowie diverse elektronische Geräte betreiben.
Angesichts dieser Perspektiven ist es notwendig, den Energieverbrauch (auch) mit innovativen technischen Lösungen zu begrenzen. Dies bringt nicht nur handfeste betriebswirtschaftliche Einsparungen: Einsparungen beim Energieverbrauch verringern die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern, zudem lässt sich der globale Ausstoß des klimaschädlichen „Treibhausgases“ CO2 weiter reduzieren.

Was leistet die Leistungselektronik?

Heutzutage stecken, ohne dass der konsumierende Verbraucher dies bewusst wahrnimmt, in vielen elektronischen Geräten Bauelemente, die Spannung, Frequenz und Stärke elektrischer Energie exakt so umformen, wie sie benötigt werden. Diese Leistungselektronik ist in unserem Alltag beinahe omnipräsent – in der Stromversorgung eines Handys ebenso wie im Elektromotor, in einer industriellen Fertigungsanlage genauso wie an einer Hochspannungsleitung.

Die ohne mechanische Komponenten auskommende und auf Halbleitern basierende Leistungselektronik arbeitet sehr effizient, ist kostengünstig und technisch kompakt. Die typischen, heute erzielbaren Wirkungsgrade reichen etwa von 70 bis 97 Prozent.

Die neuste Generation mit Galliumnitrid

Fortschrittliche Verfahren und Materialien werden die Wirkungsgrade der Leistungselektronik noch weiter steigern. Im Zentrum der aktuellen Entwicklungsbemühungen steht der Halbleiter Galliumnitrid (GaN). Er wird in High-electron-mobility-Transistoren (HEMT) eingesetzt und soll in den kommenden Jahren das konventionelle Silizium Zug um Zug ablösen. Bei Hochfrequenzverstärkern im Mobilfunk beträgt die Einsatzquote von Galliumnitrid bereits heute 25 Prozent.

Die Vorteile des Einsatzes von Galliumnitrid:
  • GaN eignet sich für höhere Spannungen, Temperaturen und Taktfrequenzen als Silizium.
  • Daraus resultiert eine weiter gesteigerte Energieeffizienz bzw. ein geringerer Verbrauch. Dies betrifft nicht nur die elektrische Energie (40 Prozent des globalen Energieverbrauchs), sondern auch andere Energieträger.
  • Ein geringerer Verbrauch fossiler Energie schont unsere Atmosphäre.

Das Einsparpotenzial – Beispielrechnungen

1. Eine Studie des „European Center of Power Electronics“ (ECPE) ergab, dass sich bei konsequentem Einsatz von Leistungselektronik insgesamt bis zu 35 Prozent der Energie einsparen lassen. Dies entspräche 115 europäischen Großkraftwerken im Jahr 2020.
2. Das „Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme“ hat nachgewiesen, dass ein moderner Solarwechselrichter mittels Leistungsbauelementen bis zu 50 Prozent weniger Energieverluste erleidet. Dies wäre ein erheblicher Beitrag, um Photovoltaik auch in unserer Klimazone rentabler zu machen. Mit Hilfe von Solarwechselrichtern (Thyristoren) wird Gleichspannung in das öffentliche Stromnetz eingespeist.
3. Über die bisherige Leistungselektronik hinausgehend, könnten europäische Rechenzentren mit GaN-Bauelementen ihren üblichen Energieverlust von 13 auf 11 Prozent zu senken. Dies entspräche einer jährlichen Einsparung von zwei Terawattstunden Energie sowie 4.000 Kilotonnen CO2-Ausstoß.
4. Auch im Flugverkehr wären erhebliche Einsparungen möglich. Mit GaN-Technologie könnte ein Verkehrsflugzeug 270 Kilogramm Treibstoff jährlich weniger verbrauchen, entsprechend 850 Kilogramm CO2. 

Neues EU-Projekt GaNonCMOS bringt Galliumnitrid in die Leistungselektronik

Das neue EU-Projekt GaNonCMOS (externer Link) zielt darauf ab, GaN-basierte Materialien, Geräte und Systeme auf den nächsten Level zu heben. Dies wird zu einer neuen Generation dicht integrierter Leistungselektronik führen, die preiswerte und zuverlässige Systeme für energieintensive Anwendungen ermöglicht.

Der Kick-Off des Projekts fand am 24.01.17 in der belgischen Hauptstadt Brüssel statt. Im Rahmen dieser Sitzung besprachen die Kooperationspartner den technischen Inhalt, die Aufgaben für die nächsten sechs Monate sowie administrative und finanzielle Fragen.


Das GnNonCMOS-Konsortium

Epigan NV, Fraunhofer Gesellschaft, IBM Research GmbH, AT&S AG, IHP GMBH, University College Cork, RECOM Engineering GmbH & CO KG, PNO Innovation, NXP Semiconductors Netherlands BV, X-FAB Semiconductor Foundries AG


Interessieren Sie sich für EU-Förderung und Horizon 2020? Möchten Sie ein eigenes EU-Projekt auf den Weg bringen oder sich an einem Konsortium beteiligen? Dann ist PNO Consultants der richtige Ansprechpartner für Sie. Für weitere Informationen stehen Ihnen Frau Annemarie Reiche und Frau Barbara Bendaoud zur Verfügung. Die Kontaktdaten finden Sie unten.


 

Annemarie Reiche
Innovation, EU-Förderung
Tel.: (0341) 98 97 34 72
E-Mail

Barbara Bendaoud
Innovation, EU-Förderung
Tel.: (0211) 65 85 19 19
E-Mail



  This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 721107.