Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Spannungswandler mit Galliumnitrid schafft 98 Prozent Wirkungsgrad

11.09.2013
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.


Galliumnitrid-Transistoren für effiziente Leistungselektronik: Ströme von bis zu 100 A und Durchbruchsspannungen von über 600 V sind möglich.
Fraunhofer IAF


Galliumnitrid-Spannungswandler sollen zukünftig auch in Elektroautos Verlustleistungen minimieren.
Robert Bosch GmbH

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.

Sonja Kriependorf | Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen:
http://www.iaf.fraunhofer.de/de/news-medien/pressemitteilungen/presse-2013-09-11.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Körperenergie als Stromquelle
22.08.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht „Cool“ bleiben im Büro: Wasser als Kältemittel im Alltag bald vor Durchbruch?
22.08.2017 | Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten

22.08.2017 | Informationstechnologie

Globale Klimaextreme nach Vulkanausbrüchen

22.08.2017 | Geowissenschaften

RWI/ISL-Containerumschlag-Index erreicht neuen Höchstwert

22.08.2017 | Wirtschaft Finanzen