Energie optimal nutzen: Effiziente Leistungselektronik

(PresseBox) ( Freiburg, )
Regenerative Energieerzeugung und Elektromobilität sind zentrale Themen auf dem Weg zu einer ressourcenschonenden, klimaschützenden und gleichzeitig wettbewerbsfähigen Volkswirtschaft. Hocheffiziente Leistungswandler auf der Basis des neuen Halbleitermaterials Galliumnitrid (GaN) sind eine hierfür unverzichtbare neue Schlüsseltechnologie.

Staatliche Impulse

Im Rahmen des Förderprogramms "IKT2020" (Informationsund Kommunikationstechnologien) fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit seinem Programm "IKT2020" (Informations- und Kommunikationstechnologien) Forschungsvorhaben zum Thema "Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung (LES)". Im Rahmen dieses Förderprogramms wurde ein Verbundprojekt mit der Bezeichnung "Power GaN Plus" unter Federführung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg mit einem Gesamtvolumen von knapp 2,8 Millionen Euro für einen Zeitraum von drei Jahren bewilligt.

Strom ist Energieform der Zukunft

Bereits heute werden etwa 40 Prozent der weltweit verbrauchten Energiemengen in Form von elektrischem Strom genutzt. Man schätzt, dass dieser Anteil bis 2040 auf etwa 60 Prozent steigen wird. Wo elektrischer Strom in großen Mengen genutzt wird, kommen so genannte Leistungswandler zum Einsatz. Die geringe Gleichspannung bei gleichzeitig hoher Stromstärke, die beispielsweise eine Photovoltaikanlage liefert, muss für die Einspeisung in das öffentliche Netz in Wechselstrom hoher Spannung umgesetzt werden.

Dieser Umwandlungsprozess ist derzeit noch hochgradig verlustbehaftet, d. h. der effektive Wirkungsgrad der Solaranlage sinkt. Entsprechendes gilt auch bei anderen elektrotechnischen Anlagen. Das Einsparpotenzial durch den Einsatz neuartiger, hocheffizienter Leistungselektronik wird mit weit über 20 Prozent des gesamten Bedarfs an elektrischer Energie geschätzt - ein enormes derzeit noch weitgehend ungenutztes Einsparpotential.

Galliumnitrid - Schlüssel zu mehr Energieeffizienz

Das relativ neue und technologisch ausgesprochen anspruchsvolle Halbleitermaterial Galliumnitrid hat gegenüber dem etablierten Halbleiter Silizium eine Reihe von interessanten physikalischen Eigenschaften, die es für Anwendungen in der Leistungselektronik prädestinieren. Transistoren aus Galliumnitrid sind bei hohen elektrischen Spannungen und Strömen wesentlich energieeffizienter als Silizium. Die Forscher erwarten ein Einsparpotential von mehr als 50 Prozent durch den Einsatz dieser neuen Technologie. Zur praktischen Erprobung und Demonstration der tatsächlichen Leistungsfähigkeit der Galliumnitrid-Technologie wird das Forschungskonsortium zwei Demonstratoren realisieren:

- Ein Wechselrichter mit einer Leistung von fünf Kilowatt zur Netzeinspeisung von Energie aus Solarparks und
- einen Leistungswandler zum effizienten Laden der Batterien eines Elektrofahrzeugs

Damit werden zwei wichtige Zukunftsmärkte für die deutsche Industrie weiter erschlossen.

Das Forschungskonsortium Die folgenden Forschungseinrichtungen und Firmen haben sich zusammengeschlossen, um gemeinsam das Energieeinsparpotenzial, das die Galliumnitrid-Technologie bietet, konkret und sichtbar zu demonstrieren.

Koordinator: Fraunhofer- IAF, Freiburg
Grundlagenforschung an GaN-Bauelementen, Technologie- und Bauelemententwicklung

Robert Bosch GmbH, Reutlingen
Spezifikation und Evaluierung eines Leistungswandlers für Elektrofahrzeuge

KACO new energy GmbH, Neckarsulm
Erarbeitung eines Wechselrichters für Solaranwendungen

IXYS Semiconductor GmbH, Lampertheim
Gehäusetechnik und Modulaufbau von GaN-Bauelementen

United Monolithic Semiconductors GmbH, Ulm
Industrielle Bewertung der GaN-Technologie

Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin
Erforschung von Halbleiterschaltern, Technologieentwicklung

Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen
Untersuchungen zur Leistungsdichte und Effizienz, Aufbautechnik

RWTH Aachen, Aachen
Technologien für selbstsperrende und vertikale GaN-Bauelemente
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