Aktuell / 17.09.2012

Transistor halbiert Verlustleistung

Galliumnitrid auf dem Prüfstand: Die Ergebnisse der Tests sind vielversprechend. © Fraunhofer IAF

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF haben einen Transistor auf Galliumnitrid-Basis entwickelt, der die Verlustleistung in Spannungswandlern halbiert. Der Einsatz des Halbleiters Galliumnitrid kann in der Elektronik von Solaranlagen und Elektroautos deutlich Energie sparen. Die elektronischen Bauteile sind effizienter, kleiner und benötigen weniger Kühlung als die bisherigen Silizium-Komponenten.

Bis 2035 wird der weltweite Bedarf an elektrischer Energie laut Prognosen der Internationalen Energieagentur (IAE) um 75 Prozent steigen. Durch den Einsatz von moderner Leistungselektronik können Schätzungen zufolge zwischen 20 bis 35 Prozent Energie gespart werden. Mit der Silizium-Technologie kann die Effizienz in der derzeitigen Leistungselektronik kaum mehr gesteigert werden. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften stößt das klassische Halbleitermaterial an seine Grenzen.
Auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid haben Forscher des Fraunhofer IAF nun einen praxistauglichen Transistor entwickelt, der die Verlustleistung in Spannungswandlern um die Hälfte reduziert. Das elektronische Bauteil 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 der Projektkoordinator Dr. Michael Schlechtweg vom Fraunhofer IAF.

Gute Zukunftsaussichten

Volumen und Gewicht der Spannungswandler sind außerdem deutlich geringer als bei Silizium-Komponenten. 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.
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“, betont Dr. Patrick Waltereit, Projektleiter am Fraunhofer IAF. „Zukünftig werden wir bestimmt Wirkungsgrade von 99 Prozent und mehr erreichen“, so Waltereit weiter. Doch noch befindet sich die Galliumnitrid-Technologie im Forschungsstadium.
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 Solaranlagen und Elektroautos. 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 Mobiltelefonen benötigt.

Über das Projekt

Das Forschungsprojekt „PowerGaNPlus“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit knapp 2,8 Millionen Euro gefördert. Neben dem Fraunhofer IAF als Koordinator und der Robert Bosch GmbH und KACO new energy GmbH arbeiten am Forschungsprojekt noch weitere Partner mit: IXYS Semiconductor GmbH, United Monolithic Semiconductors GmbH, Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Universität Erlangen-Nürnberg, RWTH Aachen.

Verknüpfte Projekte

  • Durch betriebsinterne und betriebsübergreifende Steuerung von Kuppelprodukten innerhalb eines komplexen Industrie-Netzwerks sollen Energie- und Ressourceneffizienz gesteigert sowie CO2-Emissionen gesenkt werden. Der betrachtete Komplex besteht aus einem integrierten Hüttenwerk, einem Elektrostahlwerk, der Verwertung von metallhaltigen Reststoffen im sog. DK- und dem Wälzprozess sowie einer hydrometallurgischen Zinkgewinnung. ... mehr