Mobility and Urbanization, Leistungselektronik und Systemtechnik für die Energieversorgung

Effiziente und kompakte Spannungswandler setzen neue Maßstäbe für die Elektromobilität

19.6.2017

Bis 2020 sollen auf Deutschlands Straßen eine Million Elektrofahrzeuge unterwegs sein. Um dieses Ziel der Bundesregierung zu erreichen, müssen die Möglichkeiten der Elektromobilität verbessert werden. Mit der Entwicklung einer neuartigen Halbbrückenschaltung gelang dem Fraunhofer IAF ein wichtiger Schritt in diese Richtung.

© Fraunhofer IAF

Monolithisch integrierte Halbbrückenschaltung des Fraunhofer IAF.

© MEV Verlag

Die Elektromobilität führt zu einem steigenden Bedarf an effizienten und kompakten Spannungswandlern.

Halbbrückenschaltungen sind das Herzstück vieler Spannungswandler. Sie sind das Bindeglied zwischen Spannungsversorgung und Verbraucher – und ihre Zahl nimmt stetig zu, denn die Zahl elektrisch betriebener Geräte steigt. Doch auch Energiewende und Elektromobilität führen zu einem größeren Bedarf an zuverlässigen, aber vor allem möglichst effizienten und kompakten Spannungswandlern aller Art.

Technische Innovationen für Halbbrückenschaltungen

Die vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelte Halbbrückenschaltung ist für die 600-Volt-Klasse ausgelegt, welche als Standard für die verschiedensten Geräte vom Tablet über die Waschmaschine bis zum Elektroauto gilt. Bei dieser Schaltung konnten erstmalig mehrere Komponenten monolithisch auf einem einzelnen Chip vereint werden. Dies ermöglicht besonders kleine und leistungsfähige Spannungswandler. Die Schaltfrequenz konnte in Tests auf bis zu 3 MHz erhöht und somit im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen etwa verzehnfacht werden. Ferner wird der Aufwand für die Aufbautechnik maßgeblich reduziert. »Das ist unter anderem in der Elektromobilität sehr wichtig, wo viele, möglichst effiziente Wandler auf wenig Platz verbaut werden müssen«, erklärt Richard Reiner, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IAF im Geschäftsfeld Leistungselektronik.

Der zugrundeliegende Werkstoff, der Halbleiter Galliumnitrid (GaN), ist im Vergleich zum konkurrierenden Leistungshalbleiter Siliciumcarbid kostengünstig in der Herstellung und ermöglicht exzellente Leistungswerte. Die verwendete GaN-Technologie hat sich bereits bei leistungsfähigen Transistoren, Dioden und monolithisch integrierten GaN-Schaltkreisen bewährt.

Einsatzmöglichkeiten in der Elektromobilität

Auf Grundlage der neuen Halbbrückenschaltung sollen möglichst kleine und effiziente On-Board-Ladegeräte entwickelt werden, mithilfe derer Elektroautos künftig noch leichter und sparsamer werden – ganz im Sinne der Automobilhersteller und der Nutzer. Ebenso verbessert die kompakte Bauweise die elektrischen Schalteigenschaften, indem beispielsweise Zuleitungsimpedanzen reduziert werden. 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«, so Dr. Patrick Waltereit, stellvertretender Geschäftsfeldleiter Leistungselektronik beim Fraunhofer IAF.

Die Funktionalität der monolithisch integrierten Halbbrückenschaltung wurde vom Fraunhofer IAF zuletzt im Mai im Rahmen der PCIM Europe öffentlich demonstriert.