Hochleistungsfähige On-Board-Ladegeräte

Spannungswandler sind gefragt. Ob als Netz- und Ladegeräte für das Smartphone, den Laptop und Haushalts­geräte bei niedrigen Spannungen: Sie sind überall zu finden – und ihre Zahl nimmt stetig zu. Dies liegt daran, dass wir immer mehr elektrische Geräte an die Steckdose anschließen. 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  Halbbrücken­schaltung. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat nun die weltweit erste monolithisch integrierte GaN-Halbbrücke der wichtigen 600-Volt-Klasse realisiert und demonstriert. Diese gilt bei Komponenten der Leistungs­elektronik als Standard für netz­gebundene Elektro­geräte: Vom Tablet über die Waschmaschine bis hin zum E-Bike oder dem Elektroauto.

Bei der monolithischen Integration werden mehrere Komponenten auf einem einzelnen GaN-Chip vereint. Dies ermöglicht extrem kleine und leistungs­fähige Systeme. Die monolithische Integration macht die Halbbrücken­schaltung nicht nur sehr kompakt, sondern verbessert auch die elektronischen Eigenschaften wesentlich: So kann beispiels­weise die Schalt­frequenz im Vergleich zu herkömmlichen Spannungs­wandlern etwa um den Faktor zehn 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. Die monolithisch integrierte Halbbrücke spart Chipfläche, reduziert den Aufwand für die Aufbau­technik und erhöht die Zuverlässigkeit.

On-Board-Ladegeräte für E-Autos

Eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen – dieses Ziel will die Bundesregierung bis zum Jahr 2020 erreichen. 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, welches im Vergleich zu Siliziumkarbid auf kostengünstigen und großflächigen Silizium-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 für Elektro­fahrzeuge.

Durch die kompakte Bauweise werden negative Einflüsse, wie beispielsweise Zuleitungsimpedanzen reduziert. Damit verbessern sich die elektrischen Schalt­eigen­schaften. Die Integration zusätzlicher Sensorik, wie beispiels­weise 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 Patrick Waltereit, stellver­tretender Geschäfts­feldleiter Leistungs­elektronik beim IAF.

Die Halbbrücken-Schaltung des IAF besteht aus zwei GaN-HEMTs (High-Electron-Mobility-Transistoren) und zwei integrierten Freilauf­dioden. Die HEMTs haben eine Sperrspannung von über 600 V und einen Durchlass­widerstand von 120 mΩ. Ein gefaltetes Chip-Layout erlaubt eine enge Anbindung einer DC-Link-Kapazität zwischen Versorgungs­spannung und Masse. Dieser Aufbau ermöglicht einen optimierten Leistungs­pfad und ein sauberes, schwingungs­freies Schalten bei hohen Frequenzen. Der Betrieb dieses Schalt­kreises wurde in einem Abwärtswandler von 400 auf 200 V bei einer Schalt­frequenz von 3 MHz demonstriert.

Auch komplexere Schaltungen wie ein monolithisch integrierter Multilevel-Inverter wurden bereits in dieser GaN-auf-Si-Technologie realisiert. In dieser Topologie finden zehn GaN-Leistungs­schalter auf einen Chip mit der Fläche 2 × 3 mm² Platz. Jeder Schalter sperrt 400 V im geschlossenen Zustand und hat einen Widerstand von 350 mΩ im Durchlass­betrieb. Im Vergleich zu herkömmlichen Wandlern generieren Multilevel-Inverter kleinere Störpegel bei der DC/AC-Wandlung. Dadurch können Entstör- und Ausgangs-Filter kleiner ausgelegt werden. So reduziert die monolithische Integration nicht nur die Kosten, sondern macht die Spannungs­wandler kompakter und leichter. Die Funktion dieses Wandlers konnte im Inverter-Betrieb bei amerika­nischer Netzspannung (120 V) demonstriert werden.

Die monolithische integrierte Halbbrücken­schaltung präsentiert das Fraunhofer IAF vom 16. – 18. Mai 2017 auf der PCIM Europe in Nürnberg, Halle 7, Stand 237. (Quelle: Fh.-IAF / energyviews.de)

Link: Effiziente Energiewandlung mit GaN-basierter Leistungselektronik (P. Waltereit), Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, Freiburg i. Br.

Bild: Monolithisch integrierte Halbbrückenschaltung (Quelle: Fh.-IAF)

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