Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Effiziente Galliumnitrid-Spannungswandler für Energiesysteme der Zukunft

17.06.2014

Elektronische Bauteile auf Basis von Galliumnitrid sind, aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Halbleiters, energieeffizienter, leistungsfähiger und mit weniger Kühlaufwand zu betreiben als die herkömmlich eingesetzten Silizium-Komponenten.

Unter der Projektleitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF entwirft eine Forschergruppe nun eine neue Generation von Spannungswandlern: Die verbesserte Galliumnitrid-Technologie verspricht energiesparende, schnell und zuverlässig arbeitende Systeme – auch bei hohen Temperaturen. Mit neuen, kostengünstigen Fertigungstechniken könnten sie bald in die Serienproduktion gehen.


Zukünftig möglich: Induktiv gekoppeltes Plasma basierend auf Galliumnitrid-Elektronik in einer gasdurchströmten Quarzglasröhre zur Werkstoffbearbeitung. TRUMPF Group


Aufbau zur Untersuchung der Schalteigenschaften von GaN-Hochspannungstransistoren.

Fraunhofer IAF

Mit zukunftsweisenden Materialtechnologien soll im Forschungs- und Entwicklungsprojekt »Zukünftige effiziente Energiewandlung mit Galliumnitrid-basierter Leistungselektronik der nächsten Generation« (ZuGaNG) eine neue Produkt-generation für die Leistungselektronik realisiert werden.

Im Rahmen des Projekts entwickeln Wissenschaftler eines Verbunds aus Industrie und Forschung Hochspannungstransistoren auf Basis des leistungsfähigen Halbleiters Galliumnitrid für den Einsatz in Spannungswandlern. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit knapp vier Millionen Euro über die nächsten drei Jahre gefördert und ist Teil der BMBF-Fördermaßnahme »Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung (LES) – Teil 2: Elektronik für die Energie der Zukunft«.

Höhere Leistung und niedrigere Kosten dank Galliumnitrid

Durch die Weiterentwicklung der eingesetzten Technologie wollen die Wissenschaftler sowohl eine erhebliche Steigerung der Energieeffizienz von Spannungswandlern als auch die Einsparung von bis zu 50 % der Herstellungskosten von Galliumnitrid-Leistungstransistoren erreichen. Die Transistoren reduzieren durch ihre hohe Schaltfrequenz die Verluste von Spannungswandlern und arbeiten auch bei hohen Temperaturen effizient.

Physikalische Eigenschaften des Halbleiters Galliumnitrid, wie die hohe Elektronenbeweglichkeit und die kritische Feldstärke, ermöglichen Leistungs-transistoren mit einer höheren Lebensdauer und Robustheit als herkömmlich eingesetzte Silizium-Bauteile. »Durch die hohe Taktfrequenz unserer Transistoren ist außerdem eine Miniaturisierung der Systeme möglich, da wir passive Bauelemente kleiner dimensionieren können«, erläutert Dr. Patrick Waltereit, Projektleiter am Fraunhofer IAF. »So lassen sich das Volumen der Bauteile, der Kühlungsbedarf und die benötigten Module reduzieren, wodurch die Herstellungs- und Betriebskosten sinken.«

Gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung streben die Wissenschaftler des Fraunhofer IAF die Entwicklung neuartiger Konzepte für Design, Materialherstellung und Prozesstechnologie zur Fertigung der Leistungselektronik-Bauelemente an. Erste Demonstratoren sollen schon bald die Leistungsfähigkeit der Spannungswandler beim Einsatz in Heiz-, Fertigungs- und Haushaltstechnik, in der Elektromobilität sowie bei der Gewinnung regenerativer Energien nachweisen.

Zukünftig könnten die Leistungs-transistoren dann in Pumpmotoren von Waschmaschinen oder Heizungen, Ladegeräten für Elektroautos, Generatoren für Plasma- und Lasersysteme, oder in Photovoltaik-Anlagen helfen Energie zu sparen. Neben dem Aufbau von Demonstratoren verfolgen die Projektpartner eine umfassende Charakterisierung der Galliumnitrid-Transistoren, um ein weitgehendes Verständnis der Korrelationen von Herstellung einerseits und strukturellen, elektrischen und thermischen Eigenschaften andererseits zu erreichen. Darüber hinaus soll die Technologie hinsichtlich Zuverlässigkeit und Robustheit optimiert werden, um sie schließlich für die industrielle Fertigung zu qualifizieren.

Innovative Zukunftskonzepte: Galliumnitrid in einer CMOS-Umgebung

Ein innovativer Ansatz zur Senkung der Fertigungskosten besteht in der Eingliederung der Galliumnitrid-basierten Transistoren in CMOS (Complementary metal-oxide semi-conductor)-Fertigungslinien, die eine kostengünstige Serienproduktion erlauben würde. Zudem soll in den kommenden Jahren das besondere Integrationspotential, der hohe Durchsatz und die hervorragende Funktionalität der Silizium-CMOS-Technologie mit der hohen elektrischen Leistungsdichte und Robustheit der Galliumnitrid-Bauelemente kombiniert werden, um die vielversprechenden Möglichkeiten für eine optimierte Leistungselektronik nutzbar zu machen.

Über das Projekt

Ziel des Projekts ZuGaNG ist die Entwicklung einer neuen Generation von Galliumnitrid-basierten Hochspannungstransistoren für die Leistungselektronik, die durch ihre hohe Taktfrequenz die Verlustleistung von Spannungswandlern halbieren und auch bei hohen Spannungen und Temperaturen zuverlässig arbeiten. Mit neuartigen Konzepten für Leistungselektronik-Module und deren Fertigungsprozesse soll eine kostengünstige Produktion der Galliumnitrid-Bauelemente ermöglicht werden.

Unter der Projektleitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF arbeiten führende Industrie- und Forschungseinrichtungen im interdisziplinären Verbund zusammen und decken so die gesamte Wertschöpfungskette für eine zukünftige Produktgeneration ab. Beteiligt sind die Robert Bosch GmbH, TRUMPF Hüttinger GmbH, KACO new energy GmbH, X-FAB Semiconductor Foundries AG, Lewicki microelectronic GmbH, EDC Electronic Design Chemnitz GmbH sowie das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT, das Ferdinand-Braun-Institut, die Universität Erlangen, die Hochschule Reutlingen und die Universität Magdeburg.

Weitere Informationen:

http://www.iaf.fraunhofer.de/de/news-medien/pressemitteilungen/presse-2014-06-17...

Julia Roeder | Fraunhofer-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala
20.04.2018 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Licht macht Ionen Beine
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics