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99 Prozent Wirkungsgrad Mit GaN-Transistoren könnten E-Autos fast verlustfrei laden

Von Manuel Christa 2 min Lesedauer

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TU Berlin
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Dank bidirektional sperrender Transistoren aus Galliumnitrid (GaN) wird ein beeindruckender Wirkungsgrad von 99 Prozent bei der Umwandlung von Wechselstrom zu Gleichstrom erzielt. Forschende des Fraunhofer-Instituts und der TU Berlin haben eine neuartige Schaltung entwickelt, die das Laden von Elektroautos revolutionieren könnte.

Schaltungen mit Galliumnitrid-Transistoren ermöglichen effizienteres und schnelleres Laden.(Bild: KI-generiert)
Schaltungen mit Galliumnitrid-Transistoren ermöglichen effizienteres und schnelleres Laden.
(Bild: KI-generiert)

E-Autos in der heimischen Garage an der Steckdose zu laden, ist bislang ineffizient, weil bei der Umwandlung des heimischen Wechselstroms in den vom Fahrzeug benötigten Gleichstrom im Gleichrichter erhebliche Ladeverluste auftreten. Zudem bieten die Haushaltssteckdosen in der Regel nur eine begrenzte Ladeleistung (meist 2,3 kW bis 3,7 kW). Dies führt zu längeren Ladezeiten und erhöht die Verluste, da der Ladevorgang über einen längeren Zeitraum stattfindet. Im Vergleich zu speziellen Wallboxen oder Schnellladestationen sind normale Haushaltssteckdosen nicht für das effiziente Laden von Elektrofahrzeugen optimiert.

Das Projekt „EnerConnect“ des Fraunhofer IZM zielt darauf ab, diese Ineffizienzen zu überwinden, indem es bidirektional sperrende GaN-Transistoren einsetzt, die eine effizientere Umwandlung und Regelung des Stroms ermöglichen. Dadurch kann ein Wirkungsgrad von bis zu 99% erreicht werden, was das Laden von Elektroautos zu Hause deutlich effizienter und schneller macht.

Wie GaN-Transistoren funktionieren

Im Gegensatz zu herkömmlichen Transistoren, die nur in eine Richtung elektrische Spannung sperren können, verfügen bidirektional sperrende GaN-Transistoren über zwei Gate-Strukturen. Diese besondere Eigenschaft erlaubt es ihnen, sowohl positive als auch negative Spannungen zu sperren. Üblicherweise müssen in einem Gleichrichter zwei separate Wandlerstufen verwendet werden, um die Eingangsspannung zunächst zu erhöhen und dann wieder auf die benötigte Batteriespannung zu reduzieren. Mit den bidirektional sperrenden GaN-Transistoren kann dieser Prozess in einer einzigen Wandlerstufe erfolgen. Es wird eine hohe Schaltfrequenz von bis zu 300 kHz erreicht, was kleinere und leichtere passive Bauteile ermöglicht und die Leistungsdichte auf 15 kW erhöht. Das entspreche dem Achtfachen von aktuell herkömmlichen Ladegeräten.

Schematischer Vergleich eines unidirektionalen und eines bidirektionalen GaN-Transistors. Durch die Eigenschaft, die Spannung in beide Richtungen zu sperren, ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten.(Bild: Fraunhofer IZM)
Schematischer Vergleich eines unidirektionalen und eines bidirektionalen GaN-Transistors. Durch die Eigenschaft, die Spannung in beide Richtungen zu sperren, ergeben sich neue Einsatzmöglichkeiten.
(Bild: Fraunhofer IZM)

Diese Transistoren finden Anwendung in aktiven Gleich- und Wechselrichtern, die in Elektrofahrzeugen, aber auch anderen Bereichen der Leistungselektronik zum Einsatz kommen, wie etwa in der Photovoltaik, wo der Gleichstrom von Solarpaneele in Wechselstrom fürs Stromnetz umgewandelt werden muss. (mc)

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