Mehr Effizienz für die Leistungselektronik
Das EU-Projekt Hiposwitch wird mit 6,5 Millionen Euro gefördert und soll energieeffizientere, kompaktere und leistungsfähigere elektronische Energiekonverter auf Basis von Galliumnitrid entwickeln.
Niedriger Energieverbrauch und hohe Leistungen sind die zentralen Anforderungen an moderne Leistungskonvertersysteme. Sie sollen Ressourcen schonen und zugleich immer höhere Datenmengen verarbeiten. Leistungstransistoren sind die elementaren Bauelemente elektronischer Leistungskonverter, die Gleich- und Wechselstrom auf unterschiedliche Spannungen transformieren. Sie sind in beinahe jedem technischen Gerät zu finden; im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien spielen sie etwa in Mobilfunkbasisstationen eine zentrale Rolle. Weitere Anwendungsbereiche sind Gleich-/Wechselstromversorgungen für Computer, Netzwerke und Speicher sowie Solarwandler, Elektro- und Hybridfahrzeuge.
Abb.: Galliumnitrid-Leistungstransistoren für energieeffiziente, kompakte und leistungsfähige elektronische Energiekonverter. (Bild: FBH/schurian.com)
Das vom Ferdinand-Braun-Institut koordinierte EU-Projekt Hiposwitch beschäftigt sich in den kommenden drei Jahren mit neuartigen Galliumnitrid-basierten Transistoren. Sie sollen bei künftigen Leistungskonvertersystemen für weniger Volumen und Gewicht bei gleichzeitig höherer Leistungsfähigkeit sorgen.
Die Effizienz derzeitiger Systeme wird in der Regel durch die verwendeten aktiven Schaltelemente begrenzt. Heutzutage kommen meist Komponenten auf der Basis von Silizium oder Siliziumkarbid zum Einsatz. Die Silizium-Technologie ist mittlerweile jedoch so weit fortgeschritten, dass das Material selbst an seine Grenzen stößt, oder – wie im Fall von Siliziumkarbid – sehr teuer ist.
Bessere Materialeigenschaften verspricht Galliumnitrid (GaN). Mit GaN-basierten Bauelementen können Leistungsschalter bei deutlich höheren Frequenzen betrieben werden, ohne signifikante Schaltverluste in Kauf nehmen zu müssen. Grund ist der deutlich geringere Einschaltwiderstand von GaN-Leistungstransistoren, der zusammen mit den signifikant reduzierten Ein- und Ausgangskapazitäten zu einem deutlich verbesserten Schaltverhalten führt.
Mit höherer Schaltfrequenz lässt sich zugleich die Größe der passiven Komponenten wie Spulen, Stromwandler und Kondensatoren deutlich reduzieren – die Baugruppe wird insgesamt kleiner. Die Transistoren werden auf kostengünstigen Silizium-Substraten aufgebaut und sind daher aus wirtschaftlicher Sicht sehr interessant, da sie längerfristig deutlich bessere technische Eigenschaften mit vergleichsweise günstigen Kosten verbinden.
5,6 Millionen Euro fließen in das Verbundprojekt mit acht europäischen Partnern; der EU-Förderanteil liegt bei 3,6 Millionen Euro. Die Kompetenzen der Projektpartner decken dabei die gesamte Wertschöpfungskette von Forschung und Entwicklung bis hin zur industriellen Verwertung ab. Mit Projektabschluss werden GaN-Leistungs-transistoren und 200-Millimeter GaN-auf-Silizium-Substrate industriell verfügbar sein und weltweit vermarktet werden.
Das Berliner Ferdinand-Braun-Institut und Infineon Technologies Austria entwickeln im Projekt gemeinsam selbstsperrende GaN-Leistungstransistoren in vertikaler Architektur. Der Aufbau der Transistoren erfolgt vorwiegend auf GaN-auf-Si-Wafern der Firma EpiGaN; zwecks Benchmarking werden Strukturen auf GaN-auf-SiC-Wafern aus dem FBH parallel getestet. Die Prozessmodule aus dem FBH sollen dabei möglichst rasch auf einen massentauglichen Industrieprozess bei Infineon übertragen werden.
FBH Berlin / PH
