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    Thursday, 04 May 2017 09:00

    Effiziente und kompakte Spannungswandler für die Elektromobilität

    Monolithisch integrierte Halbbrückenschaltung des Fraunhofer IAF.
    Monolithisch integrierte Halbbrückenschaltung des Fraunhofer IAF. Fraunhofer IAF
    Die Elektromobilität führt zu einem steigenden Bedarf an effizienten und kompakten Spannungswandlern.
    Die Elektromobilität führt zu einem steigenden Bedarf an effizienten und kompakten Spannungswandlern. Petair – Fotolia.com
    • Spannungswandler sind gefragt. Ob als Netz- und Ladegeräte für das Smartphone, den Laptop und Haushaltsgeräte bei niedrigen Spannungen: Sie sind überall zu finden – und ihre Zahl nimmt stetig zu. Dies liegt daran, dass wir immer mehr elektrische Geräte an die Steckdose anschließen. Auch Energiewende und Elektromobilität führen zu einem größeren Bedarf an zuverlässigen, aber vor allem möglichst effizienten und kompakten Spannungswandlern aller Art. Das Herzstück vieler Spannungswandler ist die sogenannte Halbbrückenschaltung. Das Fraunhofer IAF hat nun die weltweit erste monolithisch integrierte GaN-Halbbrücke der wichtigen 600-Volt-Klasse realisiert und demonstriert. Die 600-Volt-Klasse gilt bei Komponenten der Leistungselektronik als Standard für netzgebundene Elektrogeräte: Vom Tablet über die Waschmaschine bis hin zum E-Bike oder dem elektrischem Auto.

      Bei der monolithischen Integration werden mehrere Komponenten auf einem einzelnen GaN-Chip vereint. Dies ermöglicht extrem kleine und leistungsfähige Systeme. Die monolithische Integration macht die Halbbrückenschaltung nicht nur sehr kompakt, sondern verbessert auch die elektronischen Eigenschaften wesentlich: So kann beispielsweise die Schaltfrequenz im Vergleich zu herkömmlichen Spannungswandlern etwa um den Faktor 10 erhöht werden. »Mit einer Schaltfrequenz von bis zu 3 MHz können wir eine sehr viel höhere Leistungsdichte erreichen. Das ist unter anderem in der Elektromobilität sehr wichtig, wo viele, möglichst effiziente Wandler auf wenig Platz verbaut werden müssen«, sagt Richard Reiner, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IAF im Geschäftsfeld Leistungselektronik. Die monolithisch integrierte Halbbrücke spart Chipfläche, reduziert den Aufwand für die Aufbautechnik und erhöht die Zuverlässigkeit.

      Hochleistungsfähige On-Board-Ladegeräte für E-Autos

      Eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen – dieses Ziel will die Bundesregierung bis zum Jahr 2020 erreichen. Für das emissionsfreie Fahren über weite Distanzen hinweg braucht man nicht nur leistungsstarke Batterien: E-Autos müssen leicht und möglichst sparsam im Energieverbrauch sein. Dies geht nur mit neuartigen elektronischen Bauelementen auf Basis von Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid (GaN), welches im Vergleich zu Siliciumcarbid (SiC) auf kostengünstigen und großflächigen Silicium-Substraten abgeschieden werden kann. GaN ermöglicht höhere Leistungsdichten bei gesteigerter Energieeffizienz für elektronische Komponenten in Elektrofahrzeugen. Ziel von Automobilherstellern und Nutzern ist die Entwicklung  möglichst kleiner, hocheffizienter On-Board-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge.

      Durch die kompakte Bauweise werden negative Einflüsse, wie beispielsweise Zuleitungsimpedanzen reduziert. Damit verbessern sich die elektrischen Schalteigenschaften. 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, stellvertretender Geschäftsfeldleiter Leistungselektronik beim Fraunhofer IAF.

      Die monolithische integrierte Halbbrückenschaltung präsentiert das Fraunhofer IAF vom 16. bis 18. Mai 2017 auf der PCIM Europe in Nürnberg (Halle 7, Stand 237).

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