Galliumnitrid statt Silizium 30.01.2014, 15:08 Uhr

Neuer Umrichter soll Reichweite von Elektroautos erhöhen

Die Reichweite von Elektroautos könnte sich zukünftig erhöhen. Autobauer Audi forscht in einem Verbundprojekt an Leistungselektronikmodulen aus Galliumnitrid. Sie sollen getankten Gleichstrom effektiver umwandeln können. Bei bisherigen Bauteilen aus Silizium ist der Verlust noch relativ hoch. 

Die neue Leistungselektronik soll Strom nicht nur effektiver umwandeln, sondern auch kompakter sein. Das spart Platz im Elektroauto und macht es zudem leichter. Audi möchte die Elektronik schnellstmöglich in Batterieladegeräte der eigenen Elektrofahrzeuge einbauen. 

Die neue Leistungselektronik soll Strom nicht nur effektiver umwandeln, sondern auch kompakter sein. Das spart Platz im Elektroauto und macht es zudem leichter. Audi möchte die Elektronik schnellstmöglich in Batterieladegeräte der eigenen Elektrofahrzeuge einbauen. 

Foto: Audi AG

Elektroautos fahren mit Drehstrommotoren. Die Batterien liefern allerdings Gleichstrom, der an Bord umgewandelt werden muss. Das machen elektronische Umrichter, die auf Silizium beruhen – so, wie die meisten Bausteine in der Halbleiterwelt. Der Wirkungsgrad ist allerdings relativ gering. Eine Menge an kostbarem Batteriestrom geht verloren. 

Das soll sich ändern. Gleich sieben Partner, darunter auch Autobauer Audi, entwickeln derzeit Umrichter, deren Leistungselektronik auf Galliumnitrid (GaN) basiert. Zu ihnen zählen auch mehrere Fraunhofer-Institute und der Autozulieferer Bosch, der spezielle Elektromotoren für Autos bereits serienmäßig herstellt. Das Material ist zwar deutlich teurer als Silizium, ermöglicht aber effektivere Umrichter mit geringeren Verlusten. 

Zudem sind die Umrichter in der Lage, Gleichstrom schneller zu zerhacken, sodass eine Art Wechselstrom entsteht. Das ist Voraussetzung dafür, dass ihn ein elektronischer Transformator auf die benötigte Spannung bringen kann. Er soll ebenfalls auf Galliumnitrid basieren. 

Elektrokautos werden leichter und bekommen mehr Platz 

Außerdem vertragen GaN-Bauteile weitaus höhere Temperaturen als solche auf Silizium-Basis. Ein wichtiger Faktor für den Einsatz im heißen Motorraum von Hybridfahrzeugen. Insgesamt lässt sich die Leistungselektronik dadurch nämlich erheblich kompakter bauen, sodass Bosch seinem Ziel näherkommt, das Volumen dieses Mittlers zwischen Batterie und Motor von heute zehn auf fünf Liter zu reduzieren. Damit sinkt das Gewicht des Fahrzeugs und es bleibt mehr Platz für Nutzlast.

Zunächst geht es den Forschern darum, perfekte Galliumnitridschichten auf Silizium-Wafern wachsen zu lassen – 100 Prozent GaN wäre viel zu teuer. Spezialist in diesem Bereich ist das Dresdener Unternehmen Azzurro Semicoductors, einer der Projektpartner. Die Fraunhofer-Institute analysieren und vermessen die beschichteten Wafer und prüfen die Güte der aktiven Schicht. Halbleiterhersteller wie das weltweit agierende Unternehmen ON Semiconductors oder NXP in den Niederlanden, die einstige Philips-Halbleitersparte, stellen daraus leistungselektronische Bauelemente her. Audi, ebenfalls Forschungspartner, integriert sie in Batterieladegeräte an Bord von Elektrofahrzeugen.

Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert Projekt mit 3,6 Millionen Euro 

Das Verbundprojekt trägt den sperrigen Namen „E2COGaN – Energieeffiziente Umrichter auf Basis von GaN-Halbleitern“. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert es mit 3,6 Millionen Euro. 

Interessant ist die neue Leistungselektronik auch für den Photovoltaikbereich. Sie wandelt den Gleichstrom, den die Solarzellen liefern, mit höherem Wirkungsgrad in Drehstrom um, der ins Netz eingespeist wird.

Von Wolfgang Kempkens

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