Ladegeräte mit Galliumnitrid (GaN) werden mittlerweile von verschiedenen Herstellern angeboten. Die Silicium-Alternative, die bei diesen Netzteilen und ihren Chips zum Einsatz kommt, hat einige Vorteile. Zum Beispiel sind die Lader platzsparender und leichter; durch eine geringere Wärmeentwicklung sind sie zudem effizienter. Hier im Blog findet ihr bereits Beiträge zu Galliumnitrid-Netzteilen von AUKEY sowie von Anker. Im Folgenden geht es um die Verwendung des Materials in der Elektronik an sich.
Kapitel in diesem Beitrag:
Was ist Galliumnitrid / GaN?
Galliumnitrid ist ein geruchsloser Feststoff, der in Wasser nahezu unlöslich ist. Die Summenformel bzw. Verhältnisformel lautet GaN. Galliumnitrid ist ein Halbleiter, der bereits Verwendung in der Optoelektronik findet und dort zum Beispiel für blaue und grüne LEDs sowie für violette Laser-Dioden verwendet wird. Der Stoff wird meist in kristalliner, durchsichtiger, farbloser Form gezeigt; er kann aber auch undurchsichtig, gelb, grau oder weiß sein. Weitere wissenschaftliche Informationen sowie chemische Daten und Bilder findet ihr bei Wikipedia (Deutsch / Englisch).
Was sind die Vorteile im Vergleich zu Silicium?
Hinsichtlich der Verwendung als Halbleiter in Computerchips bietet GaN gegenüber Silicium bzw. Silizium (Si) eine größere Bandlücke (engl. „Band Gap“). In Zahlen ausgedrückt bietet Si bei 300 K einen Wert von 1,12 eV. GaN bietet bei 300 K eine Bandlücke von 3,37 eV (Quelle). Praktisch heißt das, dass Galliumnitrid höhere elektrische Spannungen zulässt; ergo höhere Voltzahlen. Der Strom kann zudem schneller durch GaN- als durch Si-Chips fließen.
Für Computerchips heißt das aufs Wesentliche heruntergebrochen: höhere Prozessorleistungen bei kleineren Chips und weniger Wärmeentwicklung. Gerade für Smartphones, aber auch für Laptops, Smartwatches und Computer aller Art ist das eine interessante Entwicklung. Nicht nur werden kleinere bzw. bei gleicher Größe leistungsfähigere Komponenten möglich, sondern auch weniger Energieverlust – es ist ein höherer Wirkungsgrad erreichbar.
Was hat das mit Ladegeräten zu tun?
Computerchips gut und schön, aber warum sehen wir die Verwendung der Silizium-Alternative vorerst bei Ladegeräten? Weil die Verwendung hier ziemlich praktisch ist. Denn wo alte Ladegeräte den Ladestand des zu ladenden Akkus nicht überwacht haben, da kamen mit der Zeit Monitoring-Systeme auf, welche den Strom nach dem Aufladen der halben Akkukapazität drosseln, um den Akku zu schonen.
Mit Galliumnitrid statt Silizium in Ladegeräten wird diese Technik verbessert während der gelieferte Strom pro Zeiteinheit zunimmt. Oder anders gesagt: Bei GaN-Ladegeräten zeigt sich der praktische Nutzen im schnelleren Aufladen durch kleinere Hardware, aber gleicher Sicherheit für die Batterie. Gerade bei Schnelllade-Komponenten ist das wichtig – zum Beispiel bei Ladern oder Docks für das Apple MacBook mit Thunderbolt 3.
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Warum wird noch auf „alte“ Si-Technologie gesetzt?
Gewohnheit und Geld sind hier zwei Knackpunkte. Denn für die Schaffung von Chips und Boards auf Silizium-Basis sind derzeit die meisten Infrastrukturen, Hersteller und Peripherien ausgelegt. Bis Galliumnitrid-Chips und -Boards zum Standard werden, kann es noch eine Weile dauern. Auch, weil die Umstellung samt Rohstoffbeschaffung, Herstellungsverfahren und so weiter einen Aufwand an Zeit und Kosten bedeutet.
GaN-Netzteile sind derzeit also kleine Beispiele dafür, wie es geht. Wann die große Industrie für Smartphones, Computer, Industrieelektronik und so weiter nachzieht, das wird sich zeigen müssen. Bis dahin können wir uns aber schon an den AUKEY GaNFast- oder Anker GaN-Netzteilen erfreuen. Wenn diese euch interessieren, dann klickt gern auf die oben gelisteten Links. Zusätzlich lässt sich noch das Anker PowerPort Atom PD 1 nennen (Mini-Lader mit 30 W).
Einen interessanten Beitrag zum Thema findet ihr außerdem bei The Verge (englisch), auf den sich auch Der Standard (deutsch) bezieht.
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Ganz so einfach ist es nicht und die Elektronen fließen auch nicht schneller durch GaN. Bei einem GaN-FET ist die Gatekapazität geringer, dadurch ergeben sich kürzere Schaltzeiten. Das kann man ausnutzen, indem ein Schaltznetzteil bei höherere Frequenz läuft. Und dadurch wird die Speicherdrossel kleiner – das ist auch genau das Bauteil, das mit seiner Baugröße und Gewicht das Volumen der Gesamtschaltung bestimmt. Glättungselkos sind ebenfalls größer als die ICs, sie müssen mit dem Ripplestrom bei höhrere Frequenz klarkommen.
GaN-FET werden i.a. für 600 V gefertigt. Bei der Umwandlung der 230V auf Kleinspannung kann man so ein Bauteil einsetzen. Den Hauptteil eines modernen USB-Ladegerätes macht allerdings die Steuerlogik aus, über die das Netzteil mit dem Smartphone Ladespannung und -strom aushandelt. Die läuft max. mit 3,3V, da bringt GaN-Technologie nichts.
Hallo Jürgen! Dank dir für deine interessanten Zusatzinfos. Da sieht man: Hier schreiben Laien für Laien. 😂 Die Speicherdrossel ist also das Ding, was letztendlich ausschlaggebend für die Größe des Netzteils ist. Wieder was gelernt.