Durchbruchsspannungen von über 600 V sind möglich.
Fraunhofer IAF
Von der Effizienz der Leistungselektronik hängt der Erfolg einer Technologie ab. So benötigt die Elektromobilität energieeffiziente Spannungswandler, um möglichst weit zu fahren zu können. Bauteile aus Galliumnitrid etwa können hohe Ströme wirkungsvoller schalten.
Die Effizienz von Spannungswandlern ist ein wichtiger Parameter, wenn eine leistungselektronische Schaltung entwickelt werden muss. Je höher die Effizienz, umso niedriger die Wärmeverluste und umso besser der Gesamtwirkungsgrad. Im Mittelpunkt stehen dabei Leistungstransistoren wie sie die Springer-Autoren Richard Marenbach, Dieter Nelles und Christian Tuttas in Kapitel „Leistungselektronik“ ihres Fachbuches „Elektrische Energietechnik" beschreiben.
Weil aber Bauteile aus Silizium an ihre physikalischen Grenzen stoßen, setzen Forscher auf die Galliumnitrid-Technologie. 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.
Spannungswandlern mit Wirkungsgrad von 98 Prozent
Jetzt haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF Transistoren auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid entwickelt. Die Bauteile zeichnen sich durch niedrigen On-Widerstand und hohe Schaltgeschwindigkeit aus. Kürzlich konnte in Spannungswandlern ein Wirkungsgrad von 98 Prozent erzielt werden. Ein solch hoher Wirkungsgrad spart Energie in der Elektromobilität und Photovoltaik. Vor allem 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.
Galliumnitrid 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. 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. Im Durchlassbetrieb erzielen die Bauteile Maximalströme von bis zu 100 A.