GaN-Modul ebnet Weg für kompakte und kosteneffiziente bidirektionale 800-V-Ladesysteme

Im Forschungsprojekt GaN4EmoBiL (»GaN-Leistungshalbleiter für Elektromobilität und Systemintegration durch bidirektionales Laden«) haben das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF, die Universität Stuttgart, Robert Bosch GmbH und Ambibox GmbH gemeinsam neue Halbleiter-, Bauelement- und Systemtechnologien für bidirektionales Laden in der 800-V-Klasse entwickelt. Im Fokus standen dabei GaN-Hochvolt-Transistoren auf kostengünstigen alternativen Substraten, bidirektional sperrfähige Leistungsschalter sowie AC- und DC-Ladegeräte. Gefördert wurde das dreijährige Vorhaben vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des Programms »Elektro-Mobil«.

Ausgangspunkt des Projekts war die Vision, Elektrofahrzeuge nicht nur zu laden, sondern ihre Batterien zudem als flexible Stromspeicher zu nutzen – etwa um überschüssigen Solar- oder Windstrom zwischenzuspeichern und bei Bedarf wieder ins Netz einzuspeisen. Bisherige Ladelösungen scheiterten jedoch häufig an einem ungünstigen Verhältnis von Kosten, Effizienz und Kompaktheit. Genau hier setzte GaN4EmoBiL an.

GaN-Modul in mobilem Off-Board-Ladegerät demonstriert

Als zentrales Ergebnis hat das Fraunhofer IAF ein leistungselektronisches Modul auf Galliumnitrid-Basis für bidirektionale DC-Ladesysteme der 800-V-Klasse entwickelt. Das Modul nutzt GaN-Bauelemente der 1200-V-Klasse, die auf einem isolierenden Substrat realisiert wurden, und zeichnet sich durch hohe Effizienz bei vergleichsweise geringen Kosten aus. Projektpartner Ambibox integrierte dieses Modul in den Demonstrator eines bidirektionalen, einphasigen Off-Board-Ladegeräts, das eine Leistung von bis zu 3 kW abdeckt.

Mit einem Gesamtvolumen von 8,3 Litern und einem Gewicht von 5,7 Kilogramm inklusive Stecker ist der Demonstrator deutlich kompakter und mobiler als fest im Fahrzeug verbaute On-Board-Ladegeräte, die aktuell den Wechselstrom aus Haushaltssteckdose oder öffentlicher Ladestation – etwa mit 11 oder 22 kW – in den vom E-Auto benötigten Gleichstrom wandeln.

»Der Demonstrator zeigt, dass sich mit kleiner Leistung auch externe Off-Board-Ladegeräte besonders kompakt und mobil realisieren lassen und dabei bidirektionales Laden direkt mit Gleichstrom über den CCS-Stecker ermöglichen. GaN-basierte Leistungselektronik der 1200-V-Klasse bietet hier großes Potenzial für besonders effiziente und kostengünstige Ladesysteme«, sagt Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch, Koordinator des Projekts GaN4EmoBiL.

Zwar fällt die Ladegeschwindigkeit im Vergleich zu leistungsstärkeren On-Board-Systemen geringer aus, dafür ist das Gerät mobil und lässt sich über seinen CCS- und Schutzkontaktstecker (Schuko) vielseitig einsetzen.

Bidirektionales Laden als Baustein der Energiewende

»Galliumnitrid war im kommerziellen Einsatz lange weitgehend auf die 600-V-Klasse beschränkt. Im Projekt GaN4EmoBiL haben wir einen alternativen Technologiepfad auf Basis von GaN auf isolierenden Substraten demonstriert. Dieser ermöglicht die Realisierung von Bauelementen mit Sperrspannungen von mehr als 1.200 V. Damit schaffen wir die Grundlage dafür, GaN künftig auch in 800-V-Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge und deren Systemintegration einzusetzen«, so Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch.

Mobile und kostengünstige bidirektionale Ladegeräte sind ein wichtiger Baustein für ein flexibleres Energiesystem und tragen zugleich zur Mobilitäts- und Energiewende bei.