Spannungswandler mit Galliumnitrid schafft 98 Prozent Wirkungsgrad
Um die Effizienz von Spannungswandlern zu erhöhen und Wärmeverluste zu minimieren, entwickeln Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF Transistoren auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid. Die Bauteile zeichnen sich durch niedrigen On-Widerstand und hohe Schaltgeschwindigkeit aus. Kürzlich konnte in Spannungswandlern ein Wirkungsgrad von 98 Prozent erzielt werden – dies spart Energie in der Elektromobilität und Photovoltaik.
Für die erfolgreiche Weiterentwicklung der Elektromobilität ist es essenziell, die Energiemengen zu reduzieren, die durch Elektroautos verbraucht werden. Mit effizienten Spannungswandlern können im Betrieb und beim Laden der Batterien von Elektroautos Verlustleistungen minimiert und somit Energie gespart werden.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg haben nun gemeinsam mit dem Ferdinand-Braun-Institut in Berlin Galliumnitrid-Bauteile für Anwendungen in der Elektromobilität und Photovoltaik entwickelt. »Der Wirkungsgrad der Transistoren in Spannungswandlern konnte auf 98 Prozent gesteigert werden. In Praxistests wurde bis zu 1 kW Leistung erzielt. Damit haben wir zur internationalen Spitze aufgeschlossen«, erläutert Dr. Michael Schlechtweg, Abteilungsleiter am Fraunhofer IAF. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Bauelementen aus Silizium wurde die Verlustleistung in Spannungswandlern damit mehr als halbiert.
Die neuen Bauteile sind das Ergebnis des Forschungsprojekts »PowerGaNPlus«, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über drei Jahre mit insgesamt drei Millionen Euro gefördert wurde. Die Förderung war Teil der Maßnahme »Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung« (LES) im Programm »IKT 2020 – Forschung für Innovation« des BMBF. Ziel ist es, Deutschland als Leitanbieter für Technologien der Elektromobilität zu etablieren und gleichzeitig einen Beitrag zu zukunftsfähiger Mobilität zu leisten. Das BMBF unterstützt hierzu insbesondere Innovationspartnerschaften zwischen Wissenschaft und Wirtschaft.
Galliumnitrid zeigt sich robust im Praxistest
Bei der Entwicklung der Galliumnitrid-Technologie arbeitete das Fraunhofer IAF unter anderem mit der Robert Bosch GmbH zusammen, um die Bauteile in der Praxis zu testen. Bei den durchgeführten Belastungstests wurde den Bauteilen nicht nur eine sehr gute Leistung bescheinigt, sondern es wurde auch erste Hinweise auf eine hohe Kurzschlussfestigkeit gefunden. »Die Validierung der im Rahmen des Projekts entwickelten Bauelemente mit einer Durchbruchsspannung größer 600 V zeigte eine vielversprechende Performance. Bereits in diesem frühen Entwicklungsstadium konnten, beim Betrieb der Galliumnitrid-Bauteile in applikationsnahen Schaltungen, vergleichbar geringe Einschaltwiderstände und Schaltverluste wie mit deutlich ausgereifteren und kommerziell verfügbaren Siliziumkarbid-Transistoren erzielt werden. Bei den durchgeführten Belastungstests wurden zudem erste Hinweise auf eine hohe Kurzschlussfestigkeit und Temperaturbeständigkeit gefunden«, bestätigt Dr. Walter Daves, der das Projekt bei der Robert Bosch GmbH betreute. Im Durchlassbetrieb erzielen die Bauteile Maximalströme von bis zu 100 A.
Neben dem Einsatz in Ladegeräten für Batterien von Elektrofahrzeugen konnten die Transistoren gemeinsam mit der KACO new energy GmbH bereits für Anwendungen in Photovoltaik-Wechselrichtern getestet werden. In dem Forschungsprojekt arbeiteten außerdem die IXYS Semiconductor GmbH, die United Monolithic Semiconductors GmbH, die Universität Erlangen-Nürnberg sowie die RWTH Aachen mit.
Neue Möglichkeiten für Galliumnitrid-Technologie
Während Bauteile aus Silizium an ihre physikalischen Grenzen stoßen, bietet die Galliumnitrid-Technologie neue Chancen für die Leistungselektronik. Die Bauteile aus Galliumnitrid können bei höheren Spannungen und Temperaturen betrieben werden als konventionelle Leistungsbauelemente aus Silizium. Der Kühlaufwand kann dadurch reduziert werden; kompakte, leichte sowie kostengünstige Wandler werden ermöglicht. Im Vergleich zu Siliziumtransistoren lässt sich mit Galliumnitrid die Schaltfrequenz mindestens um den Faktor drei erhöhen. Aufgrund der hohen Spannungsfestigkeit und Leistungsdichte des Materials sind die Bauelemente deutlich effizienter als ihr Pendant aus Silizium. So wird beim Laden der Batterien von Elektroautos und der Einspeisung von Energie aus Solarparks ins Stromnetz weniger Energie verbraucht.
»Zukünftig könnten die Galliumnitrid-Transistoren auch in Haushaltsanwendungen, in der Fertigungstechnik oder in Generatoren für Plasma- und Lasersysteme die Effizienz steigern und Energie sparen. Ziel wird es weiterhin sein, die Zuverlässigkeit, Temperaturbeständigkeit und Taktfrequenz zu erhöhen, um so das volle Potenzial der Galliumnitrid-Technologie auszunutzen«, erklärt Dr. Patrick Waltereit, Projektleiter am Fraunhofer IAF.
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