Galliumnitrid-Leistungselektronik für Brennstoffzellen-Fahrzeuge

Ob Wasserstoffautos oder Elektroautos die Zukunft sind, darüber entbrennen noch immer heiße Diskussionen. Hersteller wie Toyota, BMW oder Mercedes setzten nach wie vor auf die Brennstoffzelle. Eine innovative Leistungselektronik mit Galliumnitrid für solche Fahrzeuge wird nun an der Hochschule Landshut entwickelt.

Wie bei Elektroautos, so spielt die Leistungselektronik auch bei Brennstoffzellen-Systemen eine wichtige Rolle . Sie wird zum Beispiel benötigt, um Gleichstrom aus dem Hochvoltbordnetz in Drehstrom für den Elektromotor umzuwandeln.

Zudem kann die Spannung von Brennstoffzellen je nach Belastung stark variieren. Daher benötigen Wasserstoff-Autos einen sogenannten DCDC-Wandler, der die Spannung für das Hochvoltbordnetz entsprechend anpasst. Bei dem Projekt Dragan der Hochschule Landshut soll nun ein solcher DCDC-Wandler mit Galliumnitrid-Technik entwickelt werden. 

Durch die Verwendung von Galliumnitrid als Halbleitermaterial kann der Wandler besonders leicht und kompakt ausfallen. Zudem erhofft sich das Forscherteam unter Leitung von Prof. Alexander Kleimaier Vorteile bei den Produktionskosten und dem Wirkungsgrad.

Leistungshalbleiter mit Galliumnitrid

Während bei konventionellen DCDC-Wandlern Silicium (oder manchmal auch Siliciumcarbid) als Halbleitermaterial eingesetzt wird, soll bei dem Landshuter Projekt Galliumnitrid (GaN) verwendet werden. Galliumnitrid ist ähnlich wie Silicium ein Halbleiter, hat aber eine größere Bandlücke als dieses.

Wie groß diese energetische Lücke zwischen Valenz- und Leistungsband ist, legt die Leitungseigenschaften von Materialien fest. Elektrische Leiter haben keine Bandlücke, während die Bandlücke bei Nichtleitern größer als vier Elektronenvolt (eV) ist. Bei Halbleitern liegt sie dazwischen. So hat Silicium eine Bandlücke von 1,12 eV, Galliumarsenid bei 1,42 eV, während Galliumnitrid schon bei über 3 eV liegt. Der Vorteil so großer Bandlücken besteht darin, dass es weniger leicht zu Leckströmen kommt und sich der Wandler nicht so stark erwärmt – ein Vorteil in Sachen Effizienz. 

Durch die extrem große Bandlücke eignet sich GaN gut für so genannte HEMTs (High-Electron-Mobility Transistors). Solche "Leistungs-Halbleiter" stellen aber deutlich höhere Anforderungen an die Aufbautechnik für die Schaltungen in dem Wandler. 

"Gemeinsam mit den wissenschaftlichen Mitarbeitern Janusz Wituski und Thomas Huber arbeiten wir in unserem Labor für Leistungselektronik der Fakultät Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen daran, eine besonders niederinduktive Aufbautechnologie realisieren zu können, die zudem möglichst wenig Störungen erzeugt." (Projektleiter Alexander Kleimaier)

Damit könnte die Leistungselektronik deutlich kompakter und effizienter ausfallen. "Raumbedarf und Gewicht sind im Fahrzeug immer problematisch und müssen daher optimiert werden", so der Professor. Auch bei den Kosten erhoffen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Vorteile.  

Das Projekt "Dragan – Entwicklung, Aufbau und Test von 3-Level-GaN-Leistungselektronikmodulen" läuft von 2020 bis 2023. Als Unternehmenspartner beteiligt sich der Leistungselektronik-Spezialist Silver Atena.