Energiesparen mit Galliumnitrid

  • 11. September 2012

Halbleiter ist effizienter als Silizium-Komponenten, vor allem bei Elektroautos und Solaranlagen.

Der Einsatz des Halbleiters Galliumnitrid in der Elektronik von Autos und Solaranlagen kann deutlich Energie sparen. Die elektronischen Bauteile sind effizienter, kleiner und benötigen weniger Kühlung als die vorherrschenden Silizium-Komponenten. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF haben einen Transistor auf Galliumnitrid-Basis entwickelt, der die Verlustleistung in Spannungswandlern halbiert.
Bis 2035 wird der weltweite Bedarf an elektrischer Energie laut Prognosen der Internationalen Energieagentur (IAE) um 75 Prozent steigen. Um den wachsenden Verbrauch zu decken und gleichzeitig das Klima zu schützen, sind effiziente Systeme zur Erzeugung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie notwendig. Durch den Einsatz von moderner Leistungselektronik können Schätzungen zufolge zwischen 20 bis 35 Prozent Energie gespart werden.

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Abb.: Galliumnitrid auf dem Prüfstand: die Ergebnisse der Tests sind vielversprechend. (Bild: Fraunhofer IAF)

Auf Basis des Halbleiters Galliumnitrid haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg einen Transistor entwickelt, der die Verlustleistung in Spannungswandlern um die Hälfte reduziert. Das elektronische Bauteil leitet schneller und kann bei höheren Temperaturen und Spannungen betrieben werden. Dadurch benötigt der Spannungswandler weniger Kühlung, ist kleiner und leichter als das weit verbreitete Pendant aus Silizium. »Bei herkömmlichen Energiewandlern mit Silizium verursachen Kühlung und passive Bauelemente rund 40 Prozent der Systemkosten. Mit Galliumnitrid kann etwa die Hälfte der Kosten bei Herstellung der Bauteile sowie Energie im Betrieb eingespart werden«, erklärt Michael Schlechtweg vom Fraunhofer IAF, der das Forschungsprojekt koordiniert.

Das Fraunhofer IAF arbeitet bei der Entwicklung der Spannungswandler unter anderem mit der Robert Bosch GmbH und KACO new energy GmbH zusammen. Momentan testen die beiden Industriepartner die neuen Bauteile für den Einsatz in Elektroautos und Solaranlagen. Die kleinen, leichten und leistungsfähigen Bauelemente mit Galliumnitrid-Technologie könnten dem Markt der Elektro- und Hybridfahrzeuge neuen Antrieb geben. Doch nicht nur in der Elektronik von Autos und Solaranlagen sparen effiziente Spannungswandler Energie. Sie werden in fast allen elektronischen Geräten im Haushalt oder auch in Handys benötigt.

Noch befindet sich die Galliumnitrid-Technologie im Forschungsstadium. In einem Spannungswandler für Solaranlagen hat der Transistor mit dem leistungsfähigen Halbleitermaterial bereits einen Wirkungsgrad von 97 Prozent erzielt. »Damit haben wir bewiesen, dass Galliumnitrid praxistauglich ist und einen wichtigen Beitrag zur Marktreife der Technologie geleistet«, meint Patrick Waltereit, Projektleiter am Fraunhofer IAF, »Zukünftig werden wir bestimmt Wirkungsgrade von 99 Prozent und mehr erreichen«.

Mit Silizium-Technologie kann die Effizienz in der Leistungselektronik kaum mehr gesteigert werden. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften stößt das klassische Halbleitermaterial an seine Grenzen. Galliumnitrid hat einen größeren Bandabstand und ist härter als Silizium. Daher können die elektronischen Bauelemente bei höheren Spannungen und Temperaturen betrieben werden. Die Leistung der Spannungswandler steigt, der Kühlaufwand sinkt. Da die Elektronen in Galliumnitrid sehr beweglich sind, kann der Transistor schneller schalten. Volumen und Gewicht der Spannungswandler sind deutlich geringer als bei Silizium-Komponenten.

IAF / DE

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