Selbstsperrende GaN-Hochspannungstransistoren für die Leistungselektronik

Am FBH ist es gelungen neuartige Galliumnitrid (GaN) -Leistungstransistoren zu entwickeln, die bis zu 1000 Volt Durchbruchfestigkeit bieten. Zusätzlich können sie nur durch das Anlegen einer positiven Steuerspannung von mehr als 1 V geöffnet werden – sie sind selbstsperrend – was aus Sicherheitsgründen eine Voraussetzung für ihren Einsatz in der Leistungselektronik ist.

Das selbstsperrende Schaltverhalten wird durch ein neu entwickeltes Gatemodul aus p-dotiertem GaN erreicht. Ein in der Tiefe scharf begrenzter Transistorkanal ist für die hohe Spannungsfestigkeit der Transistoren verantwortlich.

Aufgrund seiner vorteilhaften Materialeigenschaften bietet sich Galliumnitrid als Halbleitermaterial für die Leistungselektronik an. GaN hat einen höheren Bandabstand und eine höhere Durchbruchfeldstärke als Silizium. GaN-Transistoren können bei einer höheren Temperatur betrieben werden und im Vergleich zu einem gleich großen Siliziumtransistor können größere Spannungen und höhere Ströme geschaltet werden. In der Folge treten weniger Leistungsverluste auf. Darüber hinaus sorgen geringere parasitäre Kapazitäten und bessere elektronische Eigenschaften des Materials für schnellere Schaltgeschwindigkeiten – die Konvertermodule können kleiner werden. Wegen der höheren möglichen Betriebstemperatur sinkt der Kühlaufwand, Gewicht und Baugröße der Leistungskonverter verringern sich weiter. Bei einem Elektroauto beispielsweise bedeutet dies eine deutliche Energieersparnis.

Insgesamt haben Leistungskonverter mit Galliumnitrid-Transistoren einen höheren Wirkungsgrad als jene mit Silizium-Transistoren. Sie sind robuster, schneller und effizienter. Daher sind GaN-Leistungstransistoren für die Industrie hoch interessant.

FBH-Forschung: 03.08.2010