Effiziente und kompakte Spannungswandler für die Elektromobilität

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 sogenannte Halbbrückenschaltung. Das Fraunhofer IAF hat nun die weltweit erste monolithisch integrierte GaN-Halbbrücke der wichtigen 600-Volt-Klasse realisiert und demonstriert. Die 600-Volt-Klasse gilt bei Komponenten der Leistungselektronik als Standard für netzgebundene Elektrogeräte: Vom Tablet über die Waschmaschine bis hin zum E-Bike oder dem elektrischem Auto.

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 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. Die monolithisch integrierte Halbbrücke spart Chipfläche, reduziert den Aufwand für die Aufbautechnik und erhöht die Zuverlässigkeit.

Hochleistungsfähige 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 (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 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 Dr. Patrick Waltereit, stellvertretender Geschäftsfeldleiter Leistungselektronik beim Fraunhofer IAF.

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

Aufbau der monolithisch integrierten Halbbrücken-Schaltung

Die Halbbrücken-Schaltung des Fraunhofer IAF besteht aus zwei GaN-HEMTs (High-Electron-Mobility-Transistoren) und zwei integrierten Freilaufdioden. Die HEMTs haben eine Sperrspannung von über 600 Volt 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 Volt 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 Volt 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.

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