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23.04.2015 | Energietechnik | Im Fokus | Onlineartikel

Endlich fast verlustfrei hohe Ströme schalten

Autor:
Andreas Burkert
2:30 Min. Lesedauer

Soeben haben Physiker effiziente und blitzschnelle Galliumnitrid-Leistungsschalter entwickelt. Weil sie die Basis für energiesparende, kompakte und leichte Leistungskonverter sind, könnten bald Kohlekraftwerke vom Netz verschwinden.

Warum nur 220 V und warum Wechselspannung? Kaum ein elektrisches Gerät verträgt die normale Netzspannung. Weder der Computer noch Smartphones, LED-Lampen oder Ladegeräte können mit elektrischer Energie in dieser Form etwas anfangen. Also muss die Netzspannung in der Regel von Wechsel- in Gleichstrom umgewandelt werden. Und wer für die Stromerzeugung Solarmodule nutzt, muss den Gleichstrom in Wechselstrom wandeln. Zwar stehen dafür Energiewandler mit Leistungs-Schalttransistoren bereit wie sie im Kapitel „Schalter und Schaltanlagen“ ab Seite 377 von den Springer-Autoren Dietrich Oeding und Bernd Rüdiger Oswald erklärt werden. Doch benötigen die Leistungsschalter dafür selbst Energie.

Nun aber haben Forscher im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen EU-Verbundprojekts HiPoSwitch spezielle aktive Halbleiter entwickelt, die solche Wandler weitaus effizienter als bisher und gleichzeitig blitzschnell schalten können. In dem vom Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) geleiteten Projekt ist es den acht europäischen Partnern aus Forschung und Industrie gelungen, selbst¬sperrende Galliumnitrid (GaN)-Leistungstransistoren bis zum Prototypen zu entwickeln. Die Erwartungen sind hoch. So sollen Energiekonverter, die diese neuartigen GaN-Transistoren nutzen, die Verluste gegenüber existierenden Technologien halbieren. Sie ermöglichen zudem eine Konversionseffizienz von 98% und mehr.

Enorme Energieeinsparungen dank Galliumnitrid-Leistungsschalter

Konsequent umgesetzt, kann damit viel Primärenergie gespart werden. „In Europa werden jährlich mehr als 3.000 Terawattstunden Strom erzeugt“, erklärt Joachim Würfl, Leiter des HiPoSwitch-Projektes und des Geschäftsbereichs GaN-Elektronik am FBH. „Konvertiert man nur ein Viertel der in Europa jährlich erzeugten Elektrizität auf ein anderes Level und erhöht dabei den Wirkungsgrad um zwei Prozentpunkte, lassen sich dadurch mindestens zwei Kohlekraftwerke einsparen“, sagt Würfl. Und das Halbleitermaterial Galliumnitrid spielt dabei eine wichtige Rolle, wie der Physiker erklärt: „GaN-Bauteile sind deshalb sehr effiziente und sehr schnelle Leistungsschalter. Und das aufgrund ihres niedrigeren Einschaltwiderstandes ohne signifikante Einschaltverluste“.

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Eine höhere Schaltfrequenz bedeutet zugleich, dass die passiven Elemente der Energiekonverter, also Spulen und Kondensatoren, wesentlich kleiner dimensioniert werden können – eine deutliche Verbesserung auf der Systemseite. GaN wird bereits seit Längerem für Mikrowellentransistoren verwendet und in feinsten Schichten meist auf Siliziumcarbid (SiC)-Substraten aufgebracht. Eine Technologie, die am FBH in den letzten Jahren in Richtung von Leistungs-Schalttransistoren für den 600-Volt-Betrieb weiterentwickelt wurde. Das funktioniert gut, ist aber zu teuer für den Massenmarkt. „ Als Alternative kann die auf SiC entwickelte Technologie auf deutlich kostengünstigere, aber technologisch anspruchsvollere Siliziumsubstrate (Si) übertragen werden“, erklärt Würfl.

Die Hintergründe zu diesem Inhalt

2005 | OriginalPaper | Buchkapitel

Grundlagen der Mikrophysik

Quelle:
Physik der Halbleiterbauelemente

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