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Galliumnitrid für energieeffiziente Spannungswandler

Bereits heute werden etwa 40% der weltweit verbrauchten Energie in Form von elektrischem Strom bereitgestellt. Es wird erwartet, dass dieser Anteil bis 2040 auf etwa 60% steigt. Diese gewaltigen Energiemengen müssen nicht nur ressourcen- und umweltschonend erzeugt, sondern effizient verteilt und genutzt werden. Dafür werden leistungselektronische Bauelemente, Schaltungen und Systeme benötigt, um je nach Anwendung das passende Spannungs- und Frequenzprofil des elektrischen Stroms zu erzeugen. Die Verlustleistung und die Produktionskosten dieser Komponenten gilt es konsequent zu minimieren. Allein mit der Einführung effizienter Leistungselektronik in den Bereichen der Erzeugung regenerativer Energien sowie der Automobilelektronik können bisher nicht genutzte Einsparpotenziale von 20% bis 35% erschlossen werden. Neuartige Leistungstransistoren aus Galliumnitrid (GaN) ermöglichen erhebliche Verbesserungen bei grundlegenden elektrischen Eigenschaften von energieeffizienten Spannungswandlern: beim spezifischen Einschaltwiderstand, bei der Schaltfrequenz des Bausteins und als Folge davon auch bei der Energieeffizienz der Spannungswandlung.

Die Betrachtung der grundlegenden physikalischen Eigenschaften geben Hinweise darauf, dass GaN-basierte, im Vergleich zu Silizium-Transistoren im Anwendungsbereich 100 V bis 1000 V eine Verbesserung des spezifischen Einschaltwiderstands um den Faktor 10 erreichen können. Zusätzlich zu der Verbesserung des spezifischen Einschaltwiderstands bieten GaN-basierte Leistungsbauelemente auch eine signifikante Steigerung der Schaltfrequenz. Weiterführende Simulationen geben Hinweise darauf, dass die nächste Generation von GaN/Si-basierten Transistoren eine Verbesserung von 33% in der Leistungseffizienz gegenüber Silizium-MOSFETs realisieren können, die nach dem neuesten Stand der Technik entwickelt werden. Angesichts einer radikalen Verbesserung des Produkts aus Einschaltwiderstand und Gate-Kapazität, der um eine Größenordnung besser ist als bei Siliziumlösungen, verspricht eine auf GaN- basierte Leistungselektronik eine Revolution hinsichtlich hochintegrierter Schaltungen zur energieeffizienten Spannungswandlung.

Um die Robustheit und Lebensdauer der Spanungswandler insbesondere bei hohen Betriebsspannungen zu optimieren, müssen extrem perfekte AlGaN/GaN-Schichtsysteme erforscht werden, die selbst bei elektrischen Feldstärken von 2,5 MV/cm isolierend bleiben. Um dies zu erreichen, werden in laufenden Projekten GaN-Einkristalle als Trägermaterial für die AlGaN/GaN-Schichtsysteme eingesetzt, diese zu Bauelementen prozessiert und die resultierenden, elektrischen Eigenschaften evaluiert.

AlGaNGaN-basierter Hochfrequenz-Leistungstransistor(Photo: Fraunhofer IAF)

AlGaN/GaN-basierter Hochfrequenz-Leistungstransistor

(Photo: Fraunhofer IAF)