Fraunhofer-Forschungsteam entwickelt GaN-Modul für 800-Volt-Ladesysteme
Das deutsche Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat gemeinsam mit Industrie- und Forschungspartnern ein Galliumnitrid-Leistungsmodul für bidirektionale 800-Volt-Ladesysteme entwickelt. Das geht aus einer Mitteilung des Instituts vom 14. Oktober hervor. Mit GaN-Halbleitern der 1200-Volt-Klasse wollen die Forscher die Leistungselektronik für kompakte und kostengünstige Ladegeräte weiterentwickeln. Künftig sollen Elektrofahrzeuge damit Strom aus dem Netz aufnehmen und bei Bedarf wieder ins Stromnetz einspeisen können.
Leistungselektronik für bidirektionales Gleichstromladen
Im Forschungsprojekt GaN4EmoBiL haben das Fraunhofer IAF, die Universität Stuttgart, Bosch und Ambibox neue Halbleiter- und Systemtechnologien für bidirektionale 800-Volt-Ladesysteme entwickelt. Das GaN-Leistungsmodul des Fraunhofer IAF nutzt Bauelemente der 1200-Volt-Klasse auf einem isolierenden Substrat. Projektpartner Ambibox hat das Modul bereits in einen Demonstrator für ein externes, einphasiges Gleichstrom-Ladegerät integriert.
Mit dem Demonstrator erreicht das Forschungsteam nach eigenen Angaben eine Ladeleistung von bis zu 3 Kilowatt. Das Gerät hat ein Volumen von 8,3 Litern und wiegt einschließlich Stecker 5,7 Kilogramm. Über einen CCS-Anschluss kann es Strom direkt mit der Fahrzeugbatterie austauschen.
Für die Entwicklung der GaN-Hochvolt-Transistoren untersuchten die Forscher auch alternative Substratmaterialien. Dazu gehören Silizium, Siliziumkarbid und Saphir. Wie aus der Mitteilung hervorgeht, gelang es dem Fraunhofer IAF, GaN-Bauelemente mit Sperrspannungen oberhalb von 1.200 Volt auf isolierenden Substraten zu realisieren.
Elektrofahrzeuge als flexible Energiespeicher
Mit der neuen Leistungselektronik wollen die Projektpartner bidirektionale Ladegeräte kompakter, effizienter und kostengünstiger machen. Das entwickelte GaN-Modul zeichnet sich nach Angaben des Instituts durch hohe Effizienz bei vergleichsweise geringen Kosten aus. Durch alternative Substratmaterialien sollen sich die Herstellungskosten leistungsfähiger Hochvolt-Transistoren senken lassen.
Bislang erschweren hohe Kosten und technische Anforderungen den breiten Einsatz bidirektionaler Ladesysteme. Die Forschungsergebnisse sollen deshalb helfen, Elektroautos künftig stärker als mobile Stromspeicher zu nutzen. Fahrzeugbatterien könnten beispielsweise überschüssigen Solar- oder Windstrom aufnehmen und bei Bedarf wieder an Haushalte oder das öffentliche Stromnetz abgeben.
Stefan Mönch, Koordinator des Projekts GaN4EmoBiL, erklärte: „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.“
Das dreijährige Forschungsprojekt GaN4EmoBiL wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des Programms Elektro-Mobil gefördert. Die Partner präsentierten den Ladegerät-Demonstrator beim offiziellen Projektabschluss am 9. September in Freiburg.
