Ga naar hoofdinhoud

Snel en efficiënt schakelen dankzij HiPoSwitch

Basis voor de energiebesparende en compacte vermogensomvormer, de in het project HiPoSwitch ontwikkelde galliumnitride schakeltransistoren op een silicium wafer (foto: FBH/P. Immerz)

In het EU-project HiPoSwitch is het onderzoekers van het Forschungsverbund Berlin e.V. gelukt om zeer efficiënte en supersnelle galliumnitride vermogensschakelaars te ontwikkelen. Deze vormen de basis voor een energiebesparende, compacte en lichte vermogensomvormer om elektrische energie op een geschikte manier aan te bieden. Het marktpotentieel is gigantisch, omdat dergelijke omvormers praktisch in elk apparaat zitten.

Stroom komt uit de wandcontactdoos, dat is duidelijk. Maar er zijn nauwelijks elektrische apparaten die de normale netspanning gebruiken. Computers, smartphones, LED-lampen of laad- apparaten kunnen met deze vorm van elektrische energie niets beginnen. Zo moet netspanning omgezet worden van wissel- naar gelijkstroom. Ook de omgekeerde richting bestaat zoals bij de inverters voor zonnepanelen. Hiervoor worden omvormers gebruikt met als belangrijke elementen de vermogens-schakeltransistoren.

In het onlangs beëindigde EU- samenwerkingsproject HiPoSwitch zijn actieve halfgeleiders ontwikkeld, die dergelijke omvormers een stuk efficiënter zouden maken en bovendien supersnel zouden kunnen schakelen. Het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) leidde dit project samen met acht Europese partners uit onderzoek en industrie, waarbij het lukte om zelf sperrende galliumnitride (GaN) vermogenstransistoren te ontwikkelen tot een prototype.

Omvormers, die deze nieuwe soort GaN-transistoren gebruiken, kunnen de verliezen ten opzichte van de bestaande technologieën halveren en halen een conversie efficiëntie van 98%. Consequent inzetten kan daarmee veel primaire energie besparen. “In Europa wordt jaarlijks meer dan 3.000 terra Wh energie opgewekt”, verklaart Joachim Würfl, leider van het HiPoSwitch-project en van het werkgebied  GaN-elektronica bij het FBH. “Zelfs bij een converteren van een vierde deel van de in Europa opgewekte elektrische energie naar een ander niveau en het verhogen van het rendement met 2%, zouden tenminste de inzet van twee kolengestookte centrales kunnen uitsparen”.

Minder inschakelverliezen

Het halfgeleidermateriaal galliumnitride combineert een aantal optimale fysieke parameters. “Galliumnitride onderdelen zijn daarom zeer efficiënte en zeer snelle vermogensschakelaars. Door hun geringe inschakelweerstand ontstaan er ook geen inschakelverliezen”. Een hogere schakelfrequentie betekent ook, dat de passieve elementen van de energie omzetting zoals spoelen en condensatoren belangrijk kleiner kunnen worden gedimensioneerd, wat ook weer een verbetering betekent.

GaN wordt al sinds geruime tijd toegepast voor magnetron-transistoren en in zeer dunne lagen aangebracht op siliciumcarbide (SiC)-substraten. Deze technologie heeft men bij het FBH in de laatste jaren verder ontwikkeld in de richting van vermogens-schakeltransistoren voor het 600 V gebied. Dat functioneert uitstekend, maar is te duur voor de massamarkt. Als alternatief kan de op SiC ontwikkelde technologie goedkoper, maar technologisch ingewikkelder op siliciumsubstraat (Si) worden omgezet.

Kant en klare transistorchips

De kant en klare transistorchips werden uiteindelijk bij Infineon in Maleisië in een inductievrije ThinPAK-behuizing gemonteerd. Een enkele transistor heeft de afmeting van 4,5 mm x 2,5 mm en is optimaal geschikt om 600 V te schakelen. Hij heeft een inschakelweerstand van 75 mOhm en levert een maximale stroomsterkte van 120 A. Wij zijn momenteel de enigen in Europa, die dergelijke ‘Normally-off’ transistoren kunnen produceren”, zegt Würfl.

Het Belgische bedrijf EpiGaN zorgde samen met de installatieproducent Aixtron voor de epitaxie op Si – hierdoor dalen de kosten voor de substraten met een factor van meer dan 10. Tegelijkertijd vergroten ze de diameter van de wafer van 6″ naar 8″, noodzakelijk voor een goedkope industriële productie. Chipproducent Infineon in het Oostenrijkse Villach paste uiteindelijk de nieuw ontwikkelde GaN-technologie op een Si-proceslijn voor de industriële productie van vermogens-halfgeleiders aan.

Delen van het project hebben echter ook een uitgesproken onderzoekend karakter, met het oog op compleet nieuwe, tot nu toe niet uitgewerkte technieken en processen voor de realisering van GaN-vermogenstransistoren. Samen met collega’s van de Universität Wien en de Academie der Wetenschappen in Bratislava is het gelukt om de veelbelovende concepten voor toekomstige halfgeleidergeneraties te testen.

Aan het einde van de productieketen stond Artesyn Austria als systeempartner. Zij ontwikkelden een 3-kW-Telecom-Rectifier voor mobiele telefonie basisstations. Deze zet wisselspanning uit het net om een gelijkspanning met een rendement van 98%.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven