Leistungselektronik für effizientere Brennstoffzellenfahrzeuge

Fahrzeuge auf Basis von Wasserstoffbrennstoffzellen haben viele Vorteile: Sie erzeugen keine lokalen Emissionen und lassen sich schnell nachtanken. Leider liegt ihre Energieeffizienz weit unter jener von batterieelektrischen Fahrzeugen, bedingt durch die Verluste bei der Umwandlung von Strom in Wasserstoff und zurück. 

Eine große Rolle spielt dabei die Leistungselektronik: Diese wird benötigt, um elektrische Energie entsprechend umzuformen, zum Beispiel Gleichstrom aus dem Hochvoltbordnetz in Drehstrom für den Elektromotor. Zudem kann die Spannung von Brennstoffzellen je nach Belastung stark variieren. Daher benötigen Wasserstoffautos einen sogenannten DCDC-Wandler, der die Spannung für das Hochvoltbordnetz entsprechend anpasst.

Das Projekt „Dragan – Entwicklung, Aufbau und Test von 3-Level GaN-Leistungselektronikmodulen“ an der Hochschule Landshut forscht nun an einem solchen DCDC-Wandler, wobei im Gegensatz zu bisherigen Modellen Galliumnitrid-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (GaN-HEMTs) eingesetzt werden, wodurch der Wandler besonders leicht und kompakt gebaut werden kann. Zudem erhofft sich das Forscherteam unter Leitung von Prof. Alexander Kleimaier Vorteile bei den Produktionskosten und dem Wirkungsgrad. 

Schlüsseltechnologie für Energiewende

„Moderne Mobilität kommt nicht ohne Leistungselektronik aus“, betont Kleimaier, „meist werden diese Technologien in der öffentlichen Debatte aber komplett übersehen.“ Dabei sind sie bei allen Themen rund um die Energiewende essenziell: bei Elektroautos oder Schienenfahrzeugen, bei Energiespeichern oder bei Solar- und Windkraftanlagen. „Wir benötigen Leistungselektronik, um die Energie ins Stromnetz einzuspeisen, um Batterien aufzuladen oder um einen Elektromotor anzusteuern“, so der Landshuter Professor.

Derzeit erfährt die Leistungshalbleiterbranche einen Umbruch. So seien Leistungshalbleiter auf dem Vormarsch, die nicht wie bisher auf Silizium, sondern auf Siliziumkarbid oder eben Galliumnitrid basieren. Diese stellen aber deutlich höhere Anforderungen an die Aufbautechnik, die innere Struktur für die leistungselektronischen Schaltungen.

Die Landshuter Forschenden arbeiten nun daran, eine besonders niederinduktive Aufbautechnologie zu realisieren, die wenig Störungen erzeugt, erklärt Kleimaier. Damit könnte das Team die Eigenschaften der neuen Halbleiter möglichst gut ausnutzen und Leistungselektronik deutlich kompakter und effizienter gestalten. „Raumbedarf und Gewicht sind im Fahrzeug immer problematisch und müssen daher optimiert werden“, so der Forscher. Auch bei den Kosten erhoffen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Vorteile.