Mit Direct Wide-Bandgap-Dioden 99,3 Prozent Wirkungsgrad erreicht

| Redakteur: Gerd Kucera

Zur Entwicklung und Herstellung von Galliumarsenid-Leistungshalbleitern wurde im April 2018 im Technologiezentrum Dresden eine erste Fertigungsanlage in Betrieb genommen.
Zur Entwicklung und Herstellung von Galliumarsenid-Leistungshalbleitern wurde im April 2018 im Technologiezentrum Dresden eine erste Fertigungsanlage in Betrieb genommen. (Bild: Kristin Schmidt)

Modul-Hersteller in Europa und Asien testen derzeit erste Direct Wide-Bandgap-Dioden (dWBG) der Dresdner 35PE. Im Vergleich zu SiC-Dioden konnte der Wirkungsgrad des Moduls für EV-Ladestationen von 97,3% auf 99,3% erhöht werden.

Direct Wide-Bandgap-Dioden (dWBG) erhöhen und beschleunigen das induktive Batterieladen bei Elektrofahrzeugen (EV und HEV) und verbessern die Effizienz beim induktiven Erwärmen und Schweißen, in PFC-Filtern, Schaltnetzteilen, Solarinvertern, USV, Motorsteuerungen und Windkraftanlagen. Diese Dioden nutzen als Substrat Galliumarsenid (GaAs).

Eine Ergänzung der bisher auf dem Markt offerierten Leistungshalbleiter in Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) durch das seit Jahrzehnten im Niedervoltbereich eingesetzte Halbleitermaterial GaAs, ist eines der Ziele von Gerhard Bolenz und Volker Dudek, die gemeinsam mit Richard J. Kulle 2015 in Dresden die 3-5 Power Electronics (35PE) gegründet haben. Galliumarsenid-Leistungshalbleiter hätten vergleichbare oder sogar bessere Eigenschaften als Silizium sowie die beiden Wide-Bandgap-Materialien SiC und GaN. Zukünftige Produktgenerationen sollen das gesamte Spektrum bei Silizium sowie SiC und GaN effektiv abbilden können.

„Die heute in den vielen unterschiedlichen Anwendungen fest etablierte Silizium-Halbleitertechnik erreicht nicht die Leistungsfähigkeit, die zukünftig beispielsweise zur Umsetzung von Industrie-4.0-tauglichen Technologien oder für den Durchbruch der Elektromobilität gebraucht wird“, beschreiben Gerhard Bolenz und Volker Dudek die derzeitige Situation. Mit den in Dresden gefertigten Galliumarsenid-Strukturen (GaAs) wollen sie die geforderte Leistungsdichte, Effizienz und Zuverlässigkeit in einem sehr kompakten System zur Verfügung stellen.

„Hochleistungselektronik auf Basis von Galliumarsenid bietet das Potenzial, neuen Technologien zum Durchbruch zu verhelfen“, sagen die beiden und konstatieren: „In einer Untersuchung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zur Entwicklung von Ultraschnell-Ladestationen für Elektrofahrzeuge überzeugten unsere Direct Wide-Bandgap-Dioden. Im Vergleich mit siliziumkarbid-basierten Produkten zeigten die Versuche, dass Schaltungen deutlich effizienter aufgebaut werden können und die Verluste gegen Null tendieren.“ In einem Folgeprojekt mit einem Ladesäulenhersteller und einem weiteren Forschungspartner werden diese Dioden in der Praxis getestet.

Mit diesen Hochleistungshalbleitern, die nahezu strom- und spannungslos schalten, hat 35PE seit Inbetriebnahme der Fertigung im Frühjahr 2018 eine erste eigene Produktfamilie geschaffen. „Diese weich schaltenden Applikationen eignen sich vor allem für Anwendungen in der Elektromobilität und in der Industrieelektronik, beispielsweise für das Plasmaschweißen. Erste Muster werden bereits bei potenziellen Modul-Herstellern in Europa und Asien getestet“, erläutern die Geschäftsführer. Heutzutage sind die meisten WBG-Dioden im 650-V- und 1200-V-Bereich zu finden.

Aufgrund hoher Nachfrage aus dem Bereich Elektromobilität und Schweißen wurde eine 400-V-Produktfamilie entwickelt. Die ursprünglich auf Dioden für 600 V und 1200 V ausgelegte Produktfamilie wird es zunächst als bare die und in einem TO-247-Gehäuse geben und später in weiteren Packages wie SOT 227. Weiterhin arbeiten die Ingenieure an Hochleistungshalbleitern für hart schaltende Applikationen.

Um den Sprung vom Start-up zum Produzenten zu bewältigen, setzt 35PE auf Kooperationen und hat dafür mit dem vom Bundesforschungsministerium unterstützten Innovationsforum „GaAs-Leistungselektronik“ wichtige Akteure für den Aufbau eines Kompetenz- und Fertigungsnetzwerks gewonnen. Foundry-Partner ist ein deutsches Industrieunternehmen mit Kapazitäten für die Herstellung großer Mengen.

Während im Dresdener Werk die Wafer im LPE-Verfahren (Flüssigphasenepitaxie) zu Hochleistungshalbleitern veredelt werden, realisiert die Foundry die weitere Chip-Prozessierung der LPE-Wafer, Qualitätssicherung sowie Logistik und erweitert darüber hinaus als Second Source zu den LPE-Wafern die gesamte Wafer-Kapazität im MOVPE-Verfahren (Gasphasen-Epitaxie).

Qualitätsprüfung im Labor der Fertigung
Qualitätsprüfung im Labor der Fertigung (Bild: Kristin Schmidt)

Mit einem weiteren international aufgestellten Partner arbeitet 35PE im Marketing und Vertrieb zusammen und verfügt damit über Sales & Distribution-Vertretungen in Deutschland, China, Japan sowie in weiteren asiatischen Ländern. Die Kooperation erstreckt sich auch auf das Recruiting. „Wir sind aktiv auf der Suche nach Mitarbeitern und wollen unter anderem den Laborbereich mit Mess- und Prüfleistungen in Dresden erweitern. Motivierte Mitstreiter mit gutem technischem Background sind bei uns willkommen“, laden die Geschäftsführer ein. Aktuell beschäftigt 35PE sieben interne Mitarbeiter sowie externe Experten. Mit weiter steigendem Kundeninteresse ist in den nächsten Jahren eine Aufstockung auf etwa 20 Mitarbeiter geplant.

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posted am 05.11.2019 um 12:37 von Unregistriert


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