Galliumnitrid für hohe Effizienz bei 48 Volt

Vom E-Bike bis zum Mild-Hybrid-Auto: 48-V-Anwendungen halten in vielen Bereichen Einzug. Grund dafür ist die effizientere Leistungsübertragung im Vergleich zu noch niedrigeren Versorgungsspannungen auf der einen Seite und der mögliche Verzicht auf aufwendige Sicherheitsmaßnahmen im Vergleich zu Hochvoltleistungselektronik auf der anderen.

Bei der Leistungselektronik für die 48-V-Klasse kommen immer öfter Leistungstransistoren auf Basis des Halbleitermaterials Galliumnitrid (GaN) zum Einsatz. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik (IAF) hat nun einen besonders kompakten und effizienten Drei-Phasen-Motorinverter IC auf GaN-Basis entwickelt. 

GaN besitzt im Vergleich zu Silizium deutlich bessere physikalische Eigenschaften für die Leistungselektronik. Darüber hinaus lassen sich mit der GaN-Technologie ganze Schaltungsteile auf einem Chip integrieren: Für den Motorinverter wurden zwei sonst nebeneinander realisierte Transistoren einer integrierten Halbbrücke in ein hochkompaktes ineinander verschachteltes Halbbrücken-Design überführt, das besonders flächeneffizient ist. Drei solcher Halbbrücken wurden in dem Motorinverter integriert. "Nur ein IC ist auch günstiger und einfacher aufzubauen als sechs Transistoren oder drei Halbbrücken, die man bisher für einen GaN-basierten Motorinverter benötigte", so Entwickler Stefan Mönch.

Damit haben die Forschenden Neuland betreten: "In der Forschung und Entwicklung waren bislang vor allem die 600-V-GaN-Bauelemente im Fokus. Konzepte zum Entwurf von hochkompakten Niedervolt-GaN-Power-IC sind kaum erforscht", bemerkt Richard Reiner, Wissenschaftler am Fraunhofer IAF.