Monolithisch integrierte GaN-Halbbrücke für Netzspannungen Effiziente, kompakte Spannungswandler für die E-Mobilität - AutomobilKONSTRUKTION

Monolithisch integrierte GaN-Halbbrücke für Netzspannungen

Effiziente, kompakte Spannungswandler für die E-Mobilität

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Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat die eigenen Angaben zufolge weltweit erste Halbbrückenschaltung der 600-Volt-Klasse entwickelt, bei der alle elektronischen Komponenten monolithisch auf einem Chip eingebettet sind. Monolithisch integrierte Halbbrücken gelten als Schlüsselbausteine für kompakte Spannungswandler und ermöglichen einen großen Effizienzgewinn in der Leistungselektronik.
Ob als Netz- und Ladegeräte für das Smartphone, den Laptop und Haushaltsgeräte bei niedrigen Spannungen: Spannungswandler sind überall zu finden – und ihre Zahl nimmt stetig zu. Auch Energiewende und Elektromobilität führen zu einem größeren Bedarf an zuverlässigen, aber vor allem möglichst effizienten und kompakten Spannungswandlern aller Art. Das Herzstück vieler Spannungswandler ist die sogenannte Halbbrückenschaltung. Das Fraunhofer IAF hat nun die nach eigenen Angaben weltweit erste monolithisch integrierte GaN-Halbbrücke der wichtigen 600-Volt-Klasse realisiert und demonstriert. Diese Klasse gilt bei Komponenten der Leistungselektronik als Standard für netzgebundene Elektrogeräte – vom Tablet über die Waschmaschine bis zum E-Bike oder dem elektrischem Auto.
Mehrere Komponenten auf einem einzelnen GaN-Chip
Bei der monolithischen Integration werden mehrere Komponenten auf einem einzelnen GaN-Chip vereint. Dies ermöglicht sehr kleine und leistungsfähige Systeme. Die monolithische Integration 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.
Hochleistungsfähige On-Board-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge
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.
Durch die kompakte Bauweise werden negative Einflüsse reduziert, beispielsweise Zuleitungsimpedanzen. Damit verbessern sich die elektrischen Schalteigenschaften. Die Integration zusätzlicher Sensorik, etwa 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. bis 18. Mai 2017 auf der Fachmesse PCIM Europe in Nürnberg.
PCIM: Halle 7, Stand 237
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