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2015-04-24 [

Gottfried Strasser

]

Effiziente Schalter mit hohem Energiesparpotenzial

Im Rahmen eines 5.6 Millionen Euro schweren EU-Projekts unter Beteiligung der TU Wien und österreichischen Industriepartnern ist es gelungen, Leistungsschalter auf Galliumnitrid-Basis zu entwickeln. Als Schlüsselbauelement für Energiewandler, die in nahezu jedem elektronischen Gerät zu finden sind, versprechen die neuen Schalter ein enormes Energiesparpotenzial.

Galliumnitridschalter [1]

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Eine neue Schaltertechnologie - mit neuem Material

Elektronische Geräte brauchen Strom. Mit der normalen Netzspannung aus der Steckdose können Computer, Smartphone und Co. allerdings wenig anfangen. So muss etwa zunächst Wechsel- in Gleichstrom umgewandelt oder die Spannung an die Erfordernisse des Geräts angepasst werden. Sei es nun das Netzteil des Computers oder das Aufladegerät des Handys, die Schlüsselbauelemente von Energiewandlern sind immer die gleichen: Leistungs-Schalttransistoren.

Die wichtigste Anforderung an diese Transistoren ist es, die Verluste bei der Energieumwandlung möglichst gering zu halten. Die Optimierung herkömmlicher Bauelemente auf Siliziumbasis ist jedoch bereits an ihre Grenzen gestoßen. Das Material an sich scheint keine weitere Steigerung der Effizienz zu erlauben.

Im EU-Verbundprojekt HiPoSwitch unter der Leitung des deutschen Ferdinand-Braun-Instituts (FBH) ist es nun gelungen, effiziente Leistungstransistoren auf Basis von Galliumnitrid zu entwickeln. Das Projekt umfasste die gesamte Wertschöpfungskette von der Entwicklung der neuartigen Transistoren bis zur Produktion eines fertigen Energiekonverters. Dabei gelang es, die Verluste gegenüber herkömmlichen Technologien zu halbieren.

„In Europa werden jährlich mehr als 3.000 Terawattstunden Strom erzeugt“, erklärt Joachim Würfl, Leiter des HiPoSwitch-Projektes und des Geschäftsbereichs GaN-Elektronik am FBH. „Konvertiert man nur ein Viertel der in Europa jährlich erzeugten Elektrizität auf ein anderes Level und erhöht dabei den Wirkungsgrad um zwei Prozentpunkte, lassen sich dadurch mindestens zwei Kohlekraftwerke einsparen“, sagt Würfl.

Die Entwicklung eines Prototypen des neuen Transistors erfolgte unter Beteiligung der TU Wien, wo man bereits seit über zehn Jahren Erfahrung in der Bearbeitung von Galliumnitrid sammelt. Ein zentraler Punkt war dabei die thermische Belastbarkeit des Bauelements. „Der neue Transistor erzeugt aufgrund der geringeren Verluste weniger Wärme, hält aber gleichzeitig auch höhere Temperaturen aus“, erklärt Gottfried Strasser, Vorstand des Zentrums für Mikro- und Nanostrukturen und Leiter des Projekts an der TU Wien, gegenüber der APA. Dadurch verringern sich die Ansprüche an die Kühlung und die Energiewandler werden kleiner und leichter, wie Strasser betont.

Um die Tauglichkeit der neuen Technologie für eine kostengünstige, industrielle Fertigung zu demonstrieren, hat der Chiphersteller Infineon in Villach eine seiner Silizium-Prozesslinien für die Produktion der Galliumnitrid-Transistoren angepasst. „Ein solches Produkt durchläuft mehrere Hundert Prozessschritte“, erklärt Oliver Häberlen, Projektverantwortlicher bei Infineon Austria. „Unsere Herausforderung war es, diese Fertigungsschritte auf den vorhandenen Maschinenpark anzupassen, um eine möglichst hohe Auslastung und damit eine kostengünstige Fertigung zu realisieren“.

Als letztes Glied in der Wertschöpfungskette baute schließlich die Firma Artesyn Austria einen Energiewandler, wie er in Mobilfunk-Basisstationen zum Einsatz kommt. Unter Einsatz der von Infineon gefertigten Schalter erreichten sie dabei eine Umwandlungseffizienz von 98%. In Anbetracht der technischen Vorteile, der Möglichkeit einer kostengünstigen Herstellung und der weiten Verbreitung von Leistungs-Schalttransistoren prophezeien die Projektpartner der neuen Technologie enormes Marktpotenzial.

[1] Fotos: A.M. Andrews