Höhere Reichweiten mit weniger Energie: Mobil mit Galliumnitrid

GaN-Leistungsbauelemente
© Foto Fraunhofer IAF

Mit der Entwicklung monolithisch integrierter GaN-Leistungsbauelemente für extrem kompakte Spannungswandler werden die Projektpartner von GaNIAL höhere Leistungen und größere Reichweiten in der Elektromobilität ermöglichen.

Eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen – dieses Ziel will die Bundesregierung bis zum Jahr 2020 erreichen. Um ein emissionsfreies Fahren über weite Distanzen zum greifbaren Ziel zu machen, werden neue Technologien auf Basis moderner Halbleitermaterialien erarbeitet: Sie ermöglichen höhere Leistungsdichten bei gesteigerter Energieeffizienz für Leistungsbauelemente in Elektrofahrzeugen.  Durch die Integration mehrerer Komponenten auf einem einzelnen Chip aus dem Halbleitermaterial Galliumnitrid werden extrem kompakte und somit leistungsfähigere Systeme ermöglicht. Bis zum Jahr 2019 wollen die Projektpartner des Forschungs- und Entwicklungsprojektes GaNIAL eine neue Generation der Leistungselektronik für mehr und leistungsstärkere Elektromobilität realisieren.

Nicht nur die Zahl verfügbarer Elektrofahrzeuge, auch ihre Reichweite  und Energieeffizienz sollen bis zum Jahr 2020 und darüber hinaus gesteigert  werden. Immer weitere Distanzen sollen ohne Aufladestops zurückgelegt werden – wofür immer größere und leistungsstärkere Batterien notwendig werden. Um zugleich dem Anspruch an kleine, leichte und schnelle Fahrzeuge mit niedrigem Energieverbrauch gerecht zu werden, müssen die übrigen Komponenten raum- und gewichtsparend gestaltet werden. Ziel von Automobilherstellern und Nutzern ist die Integration möglichst kleiner, hochleistungsfähiger on-board Ladegeräte in die Elektrofahrzeuge. Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) widmen sich die Projektpartner von GaNIAL dieser Herausforderung.

Alles in einem: gesteigerte Effizienz durch kleinere Bauform

Ziel des Projektes ist es, leistungsfähigere und miniaturisierte Komponenten für Elektromobilität zu realisieren, indem Leistungselemente, Ansteuerschaltungen und Zustandsüberwachung auf nur einem Halbleiterchip integriert werden: Unter Anwendung einer neuartigen Aufbau- und Verbindungstechnik können die besonderen physikalischen Eigenschaften des Halbleiters Galliumnitrid genutzt werden, um extrem kompakte und robuste Komponenten zu erstellen. Die laterale Struktur der Bauelemente auf Basis von Galliumnitrid erlaubt die monolithische Integration  von Treibern, Transistoren und Dioden auf einem einzelnen Chip. Durch die kompakte Bauweise werden Verluste reduziert und so die gesamte Effizienz durch kleinere Systeme mit höherer Taktfrequenz gesteigert. 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 vom Fraunhofer IAF, der das Projekt koordiniert.

GaNIAL – Innovation und Effizienz

Im Rahmen des Förderschwerpunktes »Kompakte und robuste Leistungselektronik der nächsten Generation« wird das Projekt GaNIAL (Integrierte, hocheffiziente Leistungselektronik auf der Basis von Galliumnitrid) vom Bundesministerium für Bildung und Forschung über die nächsten drei Jahre unterstützt. Bei einem  Projektvolumen von 5,27 Millionen Euro beträgt die Förderquote 57 %. Begleitet von der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH als Projektträger vereint das vom Fraunhofer IAF koordinierte Projekt  fünf weitere Partner aus Forschung und Industrie: seit Oktober 2016 arbeiten die BMW Group, die Robert Bosch GmbH, TRUMPF Hüttinger GmbH, die Finepower GmbH sowie die Universität Stuttgart und das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF gemeinsam daran,  innovative Leistungselektronik für optimierte Leistungen in der Elektromobilität umzusetzen.