Halbleiter Galliumnitrid spart Energie in Elektroautos und Solaranlagen

Die elektronischen Bauteile sind effizienter, kleiner und benötigen weniger Kühlung als die vorherrschenden Silizium-Komponenten. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF haben einen Transistor auf Galliumnitrid-Basis entwickelt, der die Verlustleistung in Spannungswandlern halbiert.

Bis 2035 wird der weltweite Bedarf an elektrischer Energie laut Prognosen der Internationalen Energieagentur (IAE) um 75 Prozent steigen. Um den wachsenden Verbrauch zu decken und gleichzeitig das Klima zu schützen, sind effiziente Systeme zur Erzeugung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie notwendig. Durch den Einsatz von moderner Leistungselektronik können Schätzungen zufolge zwischen 20 bis 35 Prozent Energie gespart werden.

Auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg einen Transistor entwickelt, der die Verlustleistung in Spannungswandlern um die Hälfte reduziert. Das elektronische Bauteil leitet schneller und kann bei höheren Temperaturen und Spannungen betrieben werden. Dadurch benötigt der Spannungswandler weniger Kühlung, ist kleiner und leichter als das weit verbreitete Pendant aus Silizium. »Bei herkömmlichen Energiewandlern mit Silizium verursachen Kühlung und passive Bauelemente rund 40 Prozent der Systemkosten. Mit Galliumnitrid kann etwa die Hälfte der Kosten bei Herstellung der Bauteile sowie Energie im Betrieb eingespart werden«, erklärt Dr. Michael Schlechtweg vom Fraunhofer IAF, der das Forschungsprojekt koordiniert.

Gute Zukunftsaussichten für Galliumnitrid

Das Fraunhofer IAF arbeitet bei der Entwicklung der Spannungswandler unter anderem mit der Robert Bosch GmbH und KACO new energy GmbH zusammen. Momentan testen die beiden Industriepartner die neuen Bauteile für den Einsatz in Elektroautos und Solaranlagen. Die kleinen, leichten und leistungsfähigen Bauelemente mit Galliumnitrid-Technologie könnten dem Markt der Elektro- und Hybridfahrzeuge neuen Antrieb geben. Doch nicht nur in der Elektronik von Autos und Solaranlagen sparen effiziente Spannungswandler Energie. Sie werden in fast allen elektronischen Geräten im Haushalt oder auch in Handys benötigt.
Noch befindet sich die Galliumnitrid-Technologie im Forschungsstadium. In einem Spannungswandler für Solaranlagen hat der Transistor mit dem leistungsfähigen Halbleitermaterial bereits einen Wirkungsgrad von 97 Prozent erzielt. »Damit haben wir bewiesen, dass Galliumnitrid praxistauglich ist und einen wichtigen Beitrag zur Marktreife der Technologie geleistet«, meint Dr. Patrick Waltereit, Projektleiter am Fraunhofer IAF, »Zukünftig werden wir bestimmt Wirkungsgrade von 99 Prozent und mehr erreichen«.

Mit Silizium-Technologie kann die Effizienz in der Leistungselektronik kaum mehr gesteigert werden. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften stößt das klassische Halbleitermaterial an seine Grenzen. Galliumnitrid hat einen größeren Bandabstand und ist härter als Silizium. Daher können die elektronischen Bauelemente bei höheren Spannungen und Temperaturen betrieben werden. Die Leistung der Spannungswandler steigt, der Kühlaufwand sinkt. Da die Elektronen in Galliumnitrid sehr beweglich sind, kann der Transistor schneller schalten. Volumen und Gewicht der Spannungswandler sind deutlich geringer als bei Silizium-Komponenten.

Über das Projekt

Das Projekt »PowerGaNPlus« wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit knapp 2,8 Millionen Euro gefördert. Ziel ist es, praxistaugliche Transistoren auf Galliumnitrid-Basis für Spannungswandler zu entwickeln. Die Transistoren werden in einem Wechselrichter zur Einspeisung von Energie aus Solarparks in das Stromnetz getestet. In einem weiteren Test werden die Spannungswandler in ein Ladegerät für die Batterien eines Elektrofahrzeugs eingebaut. Die Wettbewerbsfähigkeit europäischer Unternehmen auf dem Markt für Leistungselektronik wird durch das Projekt weiter erhöht.

Neben dem Fraunhofer IAF als Koordinator und den genannten Unternehmen Robert Bosch GmbH und KACO new energy GmbH arbeiten in dem Forschungsprojekt folgende Partner mit: IXYS Semiconductor GmbH, United Monolithic Semiconductors GmbH, Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Universität Erlangen-Nürnberg, RWTH Aachen.