Spannungswandler mit 98 Prozent Wirkungsgrad
Transistoren auf Galliumnitrid-Basis sparen Energie in der Elektromobilität und Photovoltaik.
Für die erfolgreiche Weiterentwicklung der Elektromobilität ist es essenziell, die von den Fahrzeugen verbrauchten Energiemengen zu reduzieren. 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 IAF. Das hat im Vergleich zu den herkömmlichen Bauelementen aus Silizium die Verlustleistung in Spannungswandlern mehr als halbiert.
Abb.: Diese Galliumnitrid-Transistoren für effiziente Leistungselektronik ermöglichen Ströme von bis zu 100 A und Durchbruchsspannungen von mehr als 600 V. (Bild: Fh.-IAF)
Die neuen Bauteile sind das Ergebnis des Forschungsprojekts PowerGaNPlus, das das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über drei Jahre mit insgesamt drei Millionen Euro gefördert hat. Die Förderung war Teil der Maßnahme Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung (LES) im BMBF-Programm IKT 2020 – Forschung für Innovation. Bei der Entwicklung der Galliumnitrid-Technologie arbeitete das Fraunhofer IAF unter anderem mit Bosch 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 Bosch 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 KACO new energy bereits für Anwendungen in Photovoltaik-Wechselrichtern getestet werden. In dem Forschungsprojekt arbeiteten außerdem Ixys Semiconductor, United Monolithic Semiconductors, die Universität Erlangen-Nürnberg sowie die RWTH Aachen mit.
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.
IAF / OD
