Joint Lab Power Electronics

Leistungselektronische Bauelemente auf Basis von neuen Halbleitermaterialen besitzen das Potential zur Revolutionierung von elektronischen Energiekonvertern. Kompaktere und leichtere Systeme mit höherer Effizienz sind jetzt realisierbar. Elektrizität auf dem Weg von der Erzeugung bis zum Endverbraucher muss mehrfach in unterschiedliche  Spannungspotentiale und Formen der elektrischen Energie umgesetzt werden. Effiziente Energiekonverter spielen hierbei eine technologische Schlüsselrolle, da jeder Prozentpunkt an verbesserter Energieeffizienz gewaltige Mengen an Primärenergie einspart.

  • 4" GaN-auf-Si Wafer
    [+] 4" GaN-auf-Si Wafer mit selbstsperrenden 70 mOhm / 600 V Schalttransistoren
  • GaN-Schalttransistor
    [+] Selbstsperrender 170 mOhm / 600 V GaN-Schalttransistor in einem Testgehäuse
  • Flip-Chip Transistor
    [+] Selbstsperrender 85 mOhm / 200 V GaN-Transistor in Flip-Chip Montage
  • GaN-Transistor in ThinPak
    [+] 70 mOhm / 600 V GaN-Transistoren in ThinPak-Gehäusen

GaN basierte Energiekonverter spielen hierbei ein Schlüsselrolle: Sie bieten im Gegensatz zu konventionellen Leistungshalbleitern ganz entscheidende Vorteile. Wegen ihrer speziellen physikalischen Eigenschaften sind sie in der Lage effizienter und schneller zu schalten und bieten darüber hinaus die Möglichkeit Energiekonverter noch kleiner und leichter zu bauen. Damit eröffnen sich neue Marktchancen sowohl im Konsumerbereich als auch in High-End Bereichen wie beispielsweise der Luft- und Raumfahrttechnik.

Aktivitäten

Im Bereich der Leistungselektronik FBH entwirft, prozessiert und charakterisiert breitlückige Halbleiterbauelemente für leistungselektronische Anwendungen. Diese Aktivitäten starteten vor etwa 10 Jahren mit der Entwicklung eines GaN-Hochvolt-Prozesses aus einem bereits existierenden Bauelementprozess zur Realisierung von diskreten Mikrowellen-Leistungstransistoren. Es gelang, die Durchbruchspannungsfestigkeit von GaN-Transistoren auf über 1000 V zu erhöhen und Bauelemente mit einer selbstsperrenden Steuercharakteristik zu realisieren. Vor Kurzem konnten selbstsperrende GaN-Schalttransistoren für 600 V Betriebsspannung demonstriert werden. Sie sind erreichen im eingeschaltetem Zustand einen Widerstand von lediglich 75 mΩ, sind in der Lage, gepuslt einen Strom von 120 A zu liefern. Sie weisen gegenüber Infineon CoolMOS-Transistoren mit vergleichbaren Einschaltwiderstand eine um den Faktor 5 reduzierte Gateladung sowie eine um den Faktor 30 reduzierte Gatekapazität auf.

Es handelt sich hier um sehr vielversprechende Ergebnisse, die mittels einer an die Eigenschaften der neuen Halbleiter angepassten Schalkreisarchitektur so umgesetzt werden müssen, dass die besonderen Eigenschaften von GaN-Bauelementen letztendlich auch im System voll zum Tragen kommen. Genau das ist das Ziel des im Jahr 2014 neu gegründeten Joint Labs Leistungselektronik, einer Kooperation zwischen dem FBH und der TU Berlin. Es entwirft und realisiert GaN-spezifische Schaltungsarchitekturen für Energiekonverter mit dem Ziel, die Möglichkeiten dieser neuen Technologie auszuloten, sie mit anderen Technologien zu vergleichen und ihre  Grenzen aufzuzeigen.