idw – Informationsdienst Wissenschaft
Nachrichten, Termine, Experten
Nachrichten, Termine, Experten
Das Fraunhofer IAF hat einen monolithischen bidirektionalen Schalter mit einer Sperrspannung von 1200 V mithilfe seiner GaN-on-Insulator-Technologie entwickelt. Der Schalter enthält zwei Freilauf-Dioden und kann in bidirektionalen Ladegeräten und Antriebsträngen elektrischer Fahrzeuge sowie in Systemen zur Erzeugung und Speicherung erneuerbarer Energien Leistungs- und Effizienzvorteile erzielen. Präsentiert werden die Ergebnisse zusammen mit weiteren Entwicklungen in der Leistungselektronik vom 6. bis 8. Mai 2025 auf der PCIM Europe in Nürnberg.
Technologische Innovationen in der Leistungselektronik sind nicht nur eine wesentliche Voraussetzung für das Gelingen der Energiewende, sie unterstützen auch nachhaltig die wirtschaftliche Entwicklung in Europa. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF entwickelt leistungselektronische Bauelemente auf Basis des Wide-Bandgap-Verbindungshalbleiters Galliumnitrid (GaN), um Weiterentwicklungen in der elektrischen Mobilität, der Energiewirtschaft und Klimatechnik zu ermöglichen.
Zuletzt hat das Fraunhofer IAF signifikante Fortschritte bei Hochvolt- und Niedervolt-Bauelementen erzielt: Auf der PCIM Europe 2025 präsentieren Forschende einen hochintegrierten bidirektionalen Schalter (MBDS) mit einer Sperrspannung von 1200 V. Außerdem stellen sie die Verwendung eines konventionellen GaN-Transistors mit einem Gate-Kontakt als bidirektionalen Schalter in einem 3-Level-T-Type-Wandler vor. Beide Ergebnisse wurden im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) geförderten Projekts GaN4EmoBiL erzielt.
Effiziente Leistungselektronik unterstützt die Energiewende und setzt wirtschaftliche Impulse
»Geopolitische Herausforderungen wie die aktuellen Zollkonflikte sind eine Chance für die europäischen Volkswirtschaften, in den Schlüsselbereichen Energieerzeugung und Mobilität durch eigene Lösungen in der Leistungselektronik technologische Vorteile zu erzielen«, betont Achim Lösch, Business Developer für Hochfrequenz- und Leistungselektronik am Fraunhofer IAF.
»Der Mehrwert innovativer Leistungselektronik liegt auf der Hand: Gleichzeitig mehr Leistung, bessere Effizienz und höherer Kompaktheit zu erreichen, bringt die relevanten Zukunftstechnologien nach vorne: E-Autos laden schneller und Energie aus erneuerbaren Quellen kann effizienter gewandelt und gespeichert werden. Am Fraunhofer IAF arbeiten wir intensiv daran, durch innovative GaN-basierte Bauelemente positive Impulse in diesen wichtigen Bereichen zu setzen«, erklärt Lösch.
Bidirektionaler 1200-V-GaN-Schalter (MBDS) mit integrierten Freilauf-Dioden
Forschende des Fraunhofer IAF haben einen für die Spannungsklasse von 1200 V geeigneten GaN-MBDS mit integrierten Freilauf-Dioden entwickelt und erfolgreich in die eigene GaN-Technologie integriert. Für die Herstellung nutzten die Forschenden die neue GaN-on-Insulator-Technologie des Fraunhofer IAF: Hochisolierendes Material wie Siliziumcarbid (SiC) und Saphir wird als Trägersubstrat des GaN-Leistungshalbleiters genutzt, um die Isolation zwischen den Bauelementen zu verbessern und die Durchbruchspannung zu erhöhen.
Der MBDS sperrt Spannung und leitet Strom in zwei Richtungen, was sowohl Chipfläche spart als auch Leitverluste reduziert, da es nur eine geteilte Verarmungszone gibt. Zum Einsatz kommen kann der GaN-MBDS in netzgeführten Gleich- und Wechselrichtern für die Energieerzeugung und -speicherung sowie in elektrischen Antriebsystemen. In diesen Anwendungen ermöglicht er die Entwicklung von Systemen im Hochvoltbereich der 1200-V-Klasse.
An Elektrofahrzeugen in dieser Spannungsklasse arbeiten Entwickler intensiv, da steigende Sperrspannungen mit deutlichen Vorteilen in der Alltagstauglichkeit einhergehen: Die Ladeleistung steigt und die Energieverluste im Betrieb sinken infolge geringerer Widerstände. Aktuell dominieren E-Autos mit 400 V den Markt, die 800-V-Technik gewinnt zunehmend Anteile. Der Sprung auf 1200 V wirkt sich positiv auf die Langstreckentauglichkeit von E-Autos und den Nutzwert elektrischer Lastkraftwagen aus.
Präsentiert wird der 1200-V-GaN-MBDS mit integrierter Peripherie von Dr. Michael Basler auf der PCIM Conference am 8. Mai von 10:10 bis 10:30 Uhr in der Oral Session zur Rubrik »GaN Devices II« auf der Stage München 1. Die Grundlage bildet Baslers Paper »Highly-Integrated 1200 V GaN-Based Monolithic Bidirectional Switch«, das im Zuge der PCIM 2025 veröffentlicht wird.
Einzel-Gate-GaN-HEMT als bidirektionaler Schalter im Niedervolt-Bereich
Auch bei Sperrspannungen bis 48 V hat das Fraunhofer IAF Fortschritte im Bereich der Multi-Level-Wandler mit bidirektionalem Schalter gemacht: Forschende haben einen herkömmlichen Einzel-Gate-HEMT (Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit) auf Basis der Verbindungshalbleiter-Heterostruktur Aluminiumgalliumnitrid/Galliumnitrid (AlGaN/GaN) in einem Niedervolt-3-Level-T-Type-Wandler als bidirektionalen Schalter genutzt und damit eine einfachere Ansteuerung des Transistors erzielt als mit einem bidirektionalen Transistor mit zwei Gates für solche Topologien. Der innovative Ansatz ermöglicht wie der 1200-V-MBDS neben einem flächeneffizienten Bauelementdesign eine einfachere Ansteuerung.
Am 6. Mai präsentiert Daniel Grieshaber die in seinem Paper »Investigation of a Single-Gate GaN HEMT as Bidirectional Switch in a Low Voltage Multilevel Topology« gezeigten Ergebnisse im Rahmen der PCIM Conference Poster Session in der Rubrik GaN Devices I von 15:30 bis 17:00 Uhr im Foyer.
PCIM Expo: GaN-Leistungselektronik-Portfolio entlang der Halbleiter-Wertschöpfungskette
Neben den Innovationen im Bereich der bidirektionalen Schalter arbeiten Forschende des Fraunhofer IAF entlang der gesamten Halbleiter-Wertschöpfungskette an Materialien, Bauelementen, Modulen und Sub-Systemen für die GaN-basierte Leistungselektronik in den Spannungsklassen 48 V, 100 V, 200 V, 600 V, 1200 V. Aktuell im Fokus stehen dabei laterale und vertikale Bauelemente, die monolithische Integration und hochisolierende Substrate wie Saphir oder SiC. Neben den bei der PCIM 2025 vorgestellten Ergebnissen arbeitet das Fraunhofer IAF bereits an Bauelementen der 1700-V-Klasse.
Eine Übersicht des Forschungs- und Entwicklungsportfolios in der Leistungselektronik bietet das Fraunhofer IAF vom 6. bis 8. Mai auf der PCIM Expo in Halle 6, Stand 260. Ausgestellt werden unter anderem ein epitaxierter 8-Zoll-GaN-Wafer, prozessierte 4-Zoll-GaN-auf-SiC- und GaN-auf-Saphir-Wafer, GaN Power ICs, integrierte laterale und vertikale GaN-Bauelemente und 600-V-Halbbrücken-Module auf GaN-Basis.
Auf der PCIM Conference fasst zudem Dr. Richard Reiner die jüngsten leistungselektronischen Entwicklungen am Fraunhofer IAF in seinem Vortrag »Lateral, Vertical, Bidirectional! Innovations and Progress in GaN Devices and Power ICs« zusammen. Er findet am 7. Mai von 10:50 bis 11:10 Uhr auf der Technology Stage statt.
PCIM Conference: Präsentationen des Fraunhofer IAF über bidirektionale GaN-Bauelemente
6. Mai, Poster Presentations, GaN Devices I, 15:30–17:00 Uhr, Foyer
Daniel Grieshaber: Investigation of a Single-Gate GaN HEMT as Bidirectional Switch in a Low Voltage Multilevel Topology
7. Mai, 10:50–11:10 Uhr, Technology Stage
Richard Reiner: Lateral, Vertical, Bidirectional! Innovations and Progress in GaN Devices and Power ICs
8. Mai, Oral Session, GaN Devices II, Stage: München 1, 10:10–10:30 Uhr
Michael Basler: Highly-Integrated 1200 V GaN-Based Monolithic Bidirectional Switch
------------------------------------------------------------------------------------------------------
Über das Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der III-V-Halbleiter und des synthetischen Diamanten. Auf Basis dieser Materialien entwickelt das Fraunhofer IAF Bauelemente für zukunftsweisende Technologien, wie elektronische Schaltungen für innovative Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für die spektroskopische Echtzeit-Sensorik, neuartige Hardware-Komponenten für Quantencomputer sowie Quantensensoren für industrielle Anwendungen. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deckt das Freiburger Forschungsinstitut die gesamte Wertschöpfungskette ab – angefangen bei der Materialforschung über Design und Prozessierung bis hin zur Realisierung von Modulen, Systemen und Demonstratoren. https://www.iaf.fraunhofer.de/
http://www.iaf.fraunhofer.de/gan-leistungselektronik – Leistungselektronik am Fraunhofer IAF
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/forscher/elektronische-schaltungen/Leistungsele... – Projektsteckbrief GaN4EmoBiL
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/veranstaltungen/pcim-expo-and-conference-2025.h... – Fraunhofer IAF auf der PCIM 2025 (Halle 6, Stand 260)
Monolithische bidirektionale 1200-V-GaN-Schalter (MBDS) mit integrierten Freilauf-Dioden, gefertigt ...
© Fraunhofer IAF
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars, Students
Electrical engineering, Energy, Mechanical engineering, Physics / astronomy, Traffic / transport
transregional, national
Research results, Scientific conferences
German
Monolithische bidirektionale 1200-V-GaN-Schalter (MBDS) mit integrierten Freilauf-Dioden, gefertigt ...
© Fraunhofer IAF
You can combine search terms with and, or and/or not, e.g. Philo not logy.
You can use brackets to separate combinations from each other, e.g. (Philo not logy) or (Psycho and logy).
Coherent groups of words will be located as complete phrases if you put them into quotation marks, e.g. “Federal Republic of Germany”.
You can also use the advanced search without entering search terms. It will then follow the criteria you have selected (e.g. country or subject area).
If you have not selected any criteria in a given category, the entire category will be searched (e.g. all subject areas or all countries).
