Forschende am Fraunhofer IZM erproben im Projekt EnerConnect bidirektional sperrende Transistoren aus Galliumnitrid (GaN). Ziel ist es, mit ihrer Hilfe eine Schaltung zu entwickeln, die in aktiven Wechsel- und Gleichrichtern der nächsten Generation zum Einsatz kommen soll. Durch den Einsatz der neuartigen Bauteile soll eine Wandlerstufe eingespart und somit ein Wirkungsgrad von 99 Prozent erreicht werden.
Das Laden von Elektroautos an der Garagensteckdose ist im Vergleich zur Nutzung von Schnellladestationen ineffizient: Bei der Umwandlung des Wechselstroms (AC) aus dem Netz in den vom Fahrzeug benötigten Gleichstrom (DC) kommt es zu teilweise erheblichen Ladeverlusten. Auch die immer weiter verbreiteten Wallboxen verhindern diese Verluste nicht vollständig.
Im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts EnerConnect erproben Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und der Technischen Universität Berlin mit Unterstützung von Delta Electronics Inc., der BIT GmbH und Infineon Technologies AG eine Schaltung mit neuartigen, bidirektional sperrenden GaN-Transistoren. Deren Vorteile wollen sie hinsichtlich Leistungsdichte und Effizienz nutzen und damit den Ladeprozess am Hausstrom effektiver gestalten.
Was sind bidirektional sperrende GaN-Transistoren?
Schon heute nutzen aktive Gleichrichter für E-Fahrzeuge die Vorteile von Halbleitern aus Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumcarbid (SiC). Diese ermöglichen hohe Schaltfrequenzen und damit kleinere, günstigere passive Bauteile. Allerdings können sie nur in einer Richtung die Spannung sperren. Anders die bidirektional sperrenden GaN-Transistoren: Bei ihnen können durch zwei Gatestrukturen positive und negative Spannungen gesperrt werden. Das macht neue Schaltungstopologien für Wechsel- und Gleichrichter, die am öffentlichen Versorgungsnetz betrieben werden, interessant.
Die Schaltung, an der die Forscher arbeiten, spielte bisher keine Rolle in der Leistungselektronik. Zu aufwendig wäre die Realisierung mit konventionellen Bauteilen. Es handelt sich dabei um eine sogenannte Buck-Boost-Schaltungstopologie, mit der die Eingangsspannung sowohl höher als auch niedriger gesetzt werden kann. Durch die Verwendung von bidirektional sperrenden Transistoren lassen sich die Vorteile dieser Schaltung nutzen.
Konventionell werden aktive Gleichrichter in E-Autos mit hohen Spannungen geschaltet. Mit der neuartigen Schaltung, die am Fraunhofer IZM erforscht wird, kann die Spannung aber auch tiefer gesetzt werden. Durch die dadurch niedrigere Schaltspannung verringern sich die Schaltverluste im Stromrichter.
Daneben ermöglicht die Schaltung die Einsparung einer Wandlerstufe: Üblicherweise muss in einem Gleichrichter die Eingangsspannung in zwei separaten Komponenten zunächst hoch- und anschließend wieder auf die benötigte Batteriespannung herabgesetzt werden. Durch den Einsatz von bidirektional sperrenden GaN-Transistoren können diese beiden Schritte in einer Wandlerstufe vereint und so die Effizienz weiter gesteigert werden, während der Materialaufwand und die Kosten sinken.
Effizientere Wandler nicht nur für Elektrofahrzeuge
Durch beide Effekte kann der Wirkungsgrad des Wandlers laut den Forschern auf bis zu 99 Prozent erhöht werden. Auch eine weitere Erhöhung der Schaltfrequenz und der Leistungsdichte sei mit der neuen Schaltung denkbar. Angestrebt werde eine Schaltfrequenz von 300 kHz. Dies berge das Potenzial, die Leistungsdichte auf 15 kW pro Liter zu erhöhen, was dem 8-Fachen von derzeit handelsüblichen Ladegeräten entspräche.
Die Technologie bietet sich insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen an, weil der Wandler fest im Fahrzeug installiert ist und somit sehr kompakt sein muss. Das Ziel für das Projekt EnerConnect ist es, die Schaltung für den Betrieb am öffentlichen Versorgungsnetz zu optimieren. Das soll zum Beispiel das Schnellladen von E-Autos am Hausstrom ermöglichen.
Der Energietransfer des Wandlers kann in beide Richtungen erfolgen. Neben der Nutzung der Fahrzeugbatterie als Energiespeicher ist diese Technologie deshalb auch für den Einsatz in Photovoltaik-Anlagen geeignet.
CARvision meint
Der Artikel ist ein Repost….und ixh bin aufs clickbaiting hereingefallen . irgendwie peinlich zeigt aber auch dass die seite kein Qualitätsmedium ist. Sondern Klicks braucht. Jetzt fragt man sich dann auch, ob dann auch nur die Meinung wiedergegeben wird die am meisten zahlt
Die Überschrift hätte eigentlich besser lauten können, neuer effizienter Halbleiterprototyp.
Mehr ist es ja nicht. Wenn man dann weiss, wie lange die Halbleiterindustrie benötigt, diesen im Serienumfang fertigen zu können, bis die Entwicklungsabteilungen die ersten Samples bekommen, dann daraus ein Teilkomponente haben und diese dann abschließend die Sicherheitsbestimmungen durchlaufen haben, dann eine neue Säule montiert worden ist… Dann wissen wir, dass es noch ein weilchen dauert…..
derJim meint
Leider kenne ich keine Analyse wo die Ladeverluste zwischen AC und DC genauer untersucht wurden. Kennt da jemand von euch was? Das DC laden sonderlich effizient ist kann ich mir eigentlich nur schwer vorstellen, da der hohe Strom ja quadratisch in die Verlustleistung eingeht (P=I²*R). Im Extremfall Wassergekühlte CCS-Kabel sind nicht zum spaß eingebaut. Bei dreiphasigen OBCs ist ja auch die Spannungslage nicht soo weit weg von üblichen, (nicht 800V) Spannungslagen.
lanzu meint
Meine Vermutung ist, dass sich dabei alleine auf den Wirkungsgrad des Gleichrichters bezogen wird. Dieser könnte in öffentlichen DC-Stationen durchaus effizienter sein als in On-Board-Geräten. Man hat mehr Bauraum als im Auto und der Betreiber zahlt die Verlustleistung. Allerdings ist der Artikel da ziemlich verquer, wenn auch darüber gesprochen wird, dass Wallboxen irgendetwas mit den Verlusten zu tun hätten, da diese den Strom einfach durchleiten.
Ich habe etwa für einen Alpitronic Hypercharger 150 eine Angabe von bis zu 97% Wirkungsgrad gefunden. Ob der erreicht wird hinge von Einsatzprofil und Temperatur ab, vermutlich schlägt da dann die Verlustleistung zu. Ich habe auf die Schnelle aber auch ein OBC mit bis zu 96% Wirkungsgrad gefunden.
Es ist aber trotzdem bemerkenswert, wenn die paar Prozent weiter reduziert werden können, und es wird auch eine kompaktere Bauweise versprochen. Dann fehlen nur noch die Kosten.
EdgarW meint
„dass Wallboxen irgendetwas mit den Verlusten zu tun hätten, da diese den Strom einfach durchleiten“
ich denke, damit ist gemeint, dass Laden mit einer Leistung näher am Nennwert des Onboard-Laders effizienter ist, als das Laden mit deutlich niedrigerer Leistung. Sprich: Die Verlustleistung mit Ladeziegel und 2 kW an einer Schuko-Dose ist aufgrund der Effizienz-Kurve des Onboard-Laders höher, als wenn dieser (zB 11 kW Onboard-Lader) bei Nennleitung an einer Wallbox mit zB 11 kW Durchgangsleistung (viel mehr, als den Strom „durchzulassen“ machen Wallboxen und Ladeziegel ja nicht – neben ein bisschen Steuerung, Überwachung und Parameter-Austausch mit dem Onboard-Lader) betrieben wird.
Ja, das ist unglücklich / unvollständig formuliert.