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Wandler

Schnell und effizient schalten – dank Hi Po Switch

| Redakteur: Frauke Finus

Basis für energiesparende und kompakte Leistungskonverter: im Projekt Hi Po Switch entwickelte Galliumnitrid-Schalttransistoren auf Siliziumwafer.
Basis für energiesparende und kompakte Leistungskonverter: im Projekt Hi Po Switch entwickelte Galliumnitrid-Schalttransistoren auf Siliziumwafer. (Bild: FBH/P. Immerz)

Im EU-Verbundprojekt Hi Po Switch ist es gelungen, effiziente und blitzschnelle Galliumnitrid-Leistungsschalter zu entwickeln. Sie sind die Basis für energiesparende, kompakte und leichte Leistungskonverter, die elektrische Energie nutzbar machen. Das Marktpotenzial ist riesig, da solche Wandler in beinahe jedem Gerät sitzen.

Strom kommt aus der Steckdose, klar. Aber kaum ein elektrisches Gerät verträgt die normale Netzspannung. Computer, Smartphones, LED-Lampen oder Ladegeräte etwa können mit elektrischer Energie in dieser Form nichts anfangen – die Netzspannung muss beispielsweise von Wechsel- in Gleichstrom umgewandelt werden. Auch der umgekehrte Weg ist denkbar, etwa bei Invertern für Solarmodule. Dafür werden Energiewandler mit Leistungs-Schalttransistoren als Schlüsselbauelemente genutzt. Aktive Halbleiter, die solche Wandler weitaus effizienter als bisher und gleichzeitig blitzschnell schalten können, wurden jetzt im kürzlich abgeschlossenen EU-Verbundprojekt Hi Po Switch entwickelt. In dem vom Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) geleiteten Projekt ist es den acht europäischen Partnern aus Forschung und Industrie gelungen, selbstsperrende Galliumnitrid (GaN)-Leistungstransistoren bis zum Prototypen zu entwickeln.

Konversionseffizienz von 98 %

Energiekonverter, die diese neuartigen GaN-Transistoren nutzen, können die Verluste gegenüber existierenden Technologien halbieren und ermöglichen eine Konversionseffizienz von 98 % und mehr. Konsequent umgesetzt, kann damit viel Primärenergie gespart werden. „In Europa werden jährlich mehr als 3000 Terawattstunden Strom erzeugt“, erklärt Joachim Würfl, Leiter des Hi Po Switch-Projektes und des Geschäftsbereichs GaN-Elektronik am FBH. „Konvertiert man nur ein Viertel der in Europa jährlich erzeugten Elektrizität auf ein anderes Level und erhöht dabei den Wirkungsgrad um zwei Prozentpunkte, lassen sich dadurch mindestens zwei Kohlekraftwerke einsparen“, sagt Würfl.

Das Halbleitermaterial Galliumnitrid vereint gute physikalische Parameter. „GaN-Bauteile sind deshalb sehr effiziente und sehr schnelle Leistungsschalter. Und das aufgrund ihres niedrigeren Einschaltwiderstandes ohne signifikante Einschaltverluste“, betont Würfl,. Eine höhere Schaltfrequenz bedeutet zugleich, dass die passiven Elemente der Energiekonverter, also Spulen und Kondensatoren, wesentlich kleiner dimensioniert werden können – eine deutliche Verbesserung auf der Systemseite.

Hand in Hand: vom leistungsfähigen Material zur industrietauglichen Fertigung

GaN wird bereits seit Längerem für Mikrowellentransistoren verwendet und in feinsten Schichten meist auf Siliziumcarbid (SiC)-Substraten aufgebracht. Eine Technologie, die am FBH in den letzten Jahren in Richtung von Leistungs-Schalttransistoren für den 600-Volt-Betrieb weiterentwickelt wurde. „Das funktioniert gut, ist aber zu teuer für den Massenmarkt. Als Alternative kann die auf SiC entwickelte Technologie auf deutlich kostengünstigere, aber technologisch anspruchsvollere Siliziumsubstrate (Si) übertragen werden“, erklärt Würfl.

Die Entwicklungen im Hi Po Switch-Projekt liefen Hand in Hand mit den Kooperationspartnern. So ist es dem FBH unter anderem gelungen, die Prozessierung von GaN-Schalttransistoren auf SiC und Si so zu verbessern, dass nahezu ideal funktionierende Bauelemente möglich wurden. Die Basis dafür schafften umfassende Untersuchungen zu Drift- und Degradationseffekten an den Universitäten Padua und Wien Die fertig prozessierten Transistorchips wurden schließlich bei Infineon in Malaysia in induktivitätsarme ThinPAK-Gehäuse montiert. Der einzelne Transistor darin misst nur 4,5 x 2,5 mm und ist optimiert darauf, 600 Volt zu schalten. Er hat einen Einschaltwiderstand von 75 Milli-Ohm und liefert eine maximale Stromstärke von 120 Ampere. Wir sind derzeit die Einzigen in Europa, die solche „Normally-off“ Transistoren herstellen können“, sagt Würfl.

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