Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Effiziente und kompakte Spannungswandler für die Elektromobilität

03.05.2017

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat die weltweit erste Halbbrückenschaltung der wichtigen 600-Volt-Klasse entwickelt, bei der alle elektronischen Komponenten „monolithisch“ auf einem Chip eingebettet sind. Monolithisch integrierte Halbbrücken sind Schlüsselbausteine für kompakte Spannungswandler und ermöglichen einen großen Effizienzgewinn in der Leistungselektronik. Basis hierfür ist der Einsatz des Halbleitermaterials Galliumnitrid (GaN).

Spannungswandler sind gefragt. Ob als Netz- und Ladegeräte für das Smartphone, den Laptop und Haushaltsgeräte bei niedrigen Spannungen: Sie sind überall zu finden – und ihre Zahl nimmt stetig zu. Dies liegt daran, dass wir immer mehr elektrische Geräte an die Steckdose anschließen. Auch Energiewende und Elektromobilität führen zu einem größeren Bedarf an zuverlässigen, aber vor allem möglichst effizienten und kompakten Spannungswandlern aller Art.


Monolithisch integrierte Halbbrückenschaltung des Fraunhofer IAF.

© Fraunhofer IAF

Das Herzstück vieler Spannungswandler ist die sogenannte Halbbrückenschaltung. Das Fraunhofer IAF hat nun die weltweit erste monolithisch integrierte GaN-Halbbrücke der wichtigen 600-Volt-Klasse realisiert und demonstriert. Die 600-Volt-Klasse gilt bei Komponenten der Leistungselektronik als Standard für netzgebundene Elektrogeräte: Vom Tablet über die Waschmaschine bis hin zum E-Bike oder dem elektrischem Auto.

Bei der monolithischen Integration werden mehrere Komponenten auf einem einzelnen GaN-Chip vereint. Dies ermöglicht extrem kleine und leistungsfähige Systeme. Die monolithische Integration macht die Halbbrückenschaltung nicht nur sehr kompakt, sondern verbessert auch die elektronischen Eigenschaften wesentlich: So kann beispielsweise die Schaltfrequenz im Vergleich zu herkömmlichen Spannungswandlern etwa um den Faktor 10 erhöht werden.

»Mit einer Schaltfrequenz von bis zu 3 MHz können wir eine sehr viel höhere Leistungsdichte erreichen. Das ist unter anderem in der Elektromobilität sehr wichtig, wo viele, möglichst effiziente Wandler auf wenig Platz verbaut werden müssen«, sagt Richard Reiner, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IAF im Geschäftsfeld Leistungselektronik. Die monolithisch integrierte Halbbrücke spart Chipfläche, reduziert den Aufwand für die Aufbautechnik und erhöht die Zuverlässigkeit.

Hochleistungsfähige On-Board-Ladegeräte für E-Autos

Eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen – dieses Ziel will die Bundesregierung bis zum Jahr 2020 erreichen. Für das emissionsfreie Fahren über weite Distanzen hinweg braucht man nicht nur leistungsstarke Batterien: E-Autos müssen leicht und möglichst sparsam im Energieverbrauch sein. Dies geht nur mit neuartigen elektronischen Bauelementen auf Basis von Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid (GaN), welches im Vergleich zu Siliciumcarbid (SiC) auf kostengünstigen und großflächigen Silicium-Substraten abgeschieden werden kann.

GaN ermöglicht höhere Leistungsdichten bei gesteigerter Energieeffizienz für elektronische Komponenten in Elektrofahrzeugen. Ziel von Automobilherstellern und Nutzern ist die Entwicklung möglichst kleiner, hocheffizienter On-Board-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge.

Durch die kompakte Bauweise werden negative Einflüsse, wie beispielsweise Zuleitungsimpedanzen reduziert. Damit verbessern sich die elektrischen Schalteigenschaften. Die Integration zusätzlicher Sensorik, wie beispielsweise eines thermischen Überwachungssystems, erlaubt zudem einen optimierten Betrieb. »Mit diesem innovativen Ansatz kann es uns gelingen, einen neuen Grad an Leistungsdichte, Effizienz, Robustheit, Funktionalität und Zuverlässigkeit in der Elektromobilität zu ermöglichen«, erläutert Dr. Patrick Waltereit, stellvertretender Geschäftsfeldleiter Leistungselektronik beim Fraunhofer IAF.

Die monolithische integrierte Halbbrückenschaltung präsentiert das Fraunhofer IAF vom 16. – 18. Mai 2017 auf der PCIM Europe in Nürnberg (Halle 7, Stand 237).

Aufbau der monolithisch integrierten Halbbrücken-Schaltung

Die Halbbrücken-Schaltung des Fraunhofer IAF besteht aus zwei GaN-HEMTs (High-Electron-Mobility-Transistoren) und zwei integrierten Freilaufdioden. Die HEMTs haben eine Sperrspannung von über 600 Volt und einen Durchlasswiderstand von 120 mΩ. Ein gefaltetes Chip-Layout erlaubt eine enge Anbindung einer DC-Link-Kapazität zwischen Versorgungsspannung und Masse. Dieser Aufbau ermöglicht einen optimierten Leistungspfad und ein sauberes, schwingungsfreies Schalten bei hohen Frequenzen. Der Betrieb dieses Schaltkreises wurde in einem Abwärtswandler von 400 auf 200 Volt bei einer Schaltfrequenz von 3 MHz demonstriert.

Auch komplexere Schaltungen wie ein monolithisch integrierter Multilevel-Inverter wurden bereits in dieser GaN-auf-Si-Technologie realisiert. In dieser Topologie finden zehn GaN-Leistungsschalter auf einen Chip mit der Fläche 2×3 mm² Platz. Jeder Schalter sperrt 400 Volt im geschlossenen Zustand und hat einen Widerstand von 350 mΩ im Durchlassbetrieb.

Im Vergleich zu herkömmlichen Wandlern generieren Multilevel-Inverter kleinere Störpegel bei der DC/AC-Wandlung. Dadurch können Entstör- und Ausgangs-Filter kleiner ausgelegt werden. So reduziert die monolithische Integration nicht nur die Kosten, sondern macht die Spannungswandler kompakter und leichter. Die Funktion dieses Wandlers konnte im Inverter-Betrieb bei amerikanischer Netzspannung (120 V) demonstriert werden.

Weitere Informationen:

https://www.iaf.fraunhofer.de/de/presse/pressemitteilungen/kompakte-spannungswan...

Michael Teiwes | Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Jade Hochschule entwickelt alternative Steuerungselemente für die Automobil- und Luftfahrtbranche
27.03.2020 | Jade Hochschule - Wilhelmshaven/Oldenburg/Elsfleth

nachricht Sensoren aus dem 3D-Drucker könnten Atemtest für Diabetes ermöglichen
26.03.2020 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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: Nachwuchswissenschaftler der Universität Rostock erfinden einen Trichter für Lichtteilchen

Physiker der Arbeitsgruppe von Professor Alexander Szameit an der Universität Rostock ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen von der Universität Würzburg gelungen, einen „Trichter für Licht“ zu entwickeln, der bisher nicht geahnte Möglichkeiten zur Entwicklung von hypersensiblen Sensoren und neuen Technologien in der Informations- und Kommunikationstechnologie eröffnet. Die Forschungsergebnisse wurden jüngst im renommierten Fachblatt Science veröffentlicht.

Der Rostocker Physikprofessor Alexander Szameit befasst sich seit seinem Studium mit den quantenoptischen Eigenschaften von Licht und seiner Wechselwirkung mit...

Im Focus: Junior scientists at the University of Rostock invent a funnel for light

Together with their colleagues from the University of Würzburg, physicists from the group of Professor Alexander Szameit at the University of Rostock have devised a “funnel” for photons. Their discovery was recently published in the renowned journal Science and holds great promise for novel ultra-sensitive detectors as well as innovative applications in telecommunications and information processing.

The quantum-optical properties of light and its interaction with matter has fascinated the Rostock professor Alexander Szameit since College.

Im Focus: Künstliche Intelligenz findet das optimale Werkstoffrezept

Die möglichen Eigenschaften nanostrukturierter Schichten sind zahllos – wie aber ohne langes Experimentieren die optimale finden? Ein Team der Materialforschung der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat eine Abkürzung ausprobiert: Mit einem Machine-Learning-Algorithmus konnten die Forscher die strukturellen Eigenschaften einer solchen Schicht zuverlässig vorhersagen. Sie berichten in der neuen Fachzeitschrift „Communications Materials“ vom 26. März 2020.

Porös oder dicht, Säulen oder Fasern

Im Focus: Erdbeben auf Island über Telefonglasfaserkabel registriert

Am 12. März 2020, 10.26 Uhr, ereignete sich in Südwestisland, ca. 5 km nordöstlich von Grindavík, ein Erdbeben mit einer Magnitude von 4.7, während eines längeren Erdbebenschwarms. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ haben jetzt dort ein neues Verfahren zur Überwachung des Untergrunds mithilfe von Telefonglasfaserkabeln getestet.

Ein von GFZ-Forschenden aus den Sektionen „Oberflächennahe Geophysik“ und „Geoenergie“ durchgeführtes Online-Monitoring, das Glasfaserkabel des isländischen...

Im Focus: Quantenoptiker zwingen Lichtteilchen, sich wie Elektronen zu verhalten

Auf der Basis theoretischer Überlegungen von Physikern der Universität Greifswald ist es Mitarbeitern der AG Festkörperoptik um Professor Alexander Szameit an der Universität Rostock gelungen, photonische topologische Isolatoren als Lichtwellenleiter zu realisieren, in denen sich Photonen wie Elektronen verhalten, und somit fermionische Eigenschaften zeigen. Ihre Entdeckung wurde jüngst im renommierten Fachblatt „Nature Materials“ veröffentlicht.

Dass es elektronische topologische Isolatoren gibt – Festkörper die im Innern den elektrischen Strom nicht leiten, dafür aber umso besser über die Oberfläche –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

“4th Hybrid Materials and Structures 2020” findet web-basiert statt

26.03.2020 | Veranstaltungen

Wichtigste internationale Konferenz zu Learning Analytics findet statt – komplett online

23.03.2020 | Veranstaltungen

UN World Water Day 22 March: Water and climate change - How cities and their inhabitants can counter the consequences

17.03.2020 | Veranstaltungen

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

Weltweit einzigartig: Neue Anlage zur Untersuchung von biogener Schwefelsäurekorrosion in Betrieb

27.03.2020 | Architektur Bauwesen

Schutzmasken aus dem 3D-Drucker

27.03.2020 | Materialwissenschaften

Nachwuchswissenschaftler der Universität Rostock erfinden einen Trichter für Lichtteilchen

27.03.2020 | Physik Astronomie

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