Ga naar hoofdinhoud

Nieuw materiaal voor vermogenselektronica

Silicium is het klassieke materiaal voor elektronische componenten. Wetenschappers van het Ferdinand-Braun-Institut in Berlijn ontwikkelen vermogenstransistoren van galliumnitride, die robuuster, sneller en efficiënter zijn. Een belangrijk probleem hebben ze al opgelost.

Vermogenstransistoren zijn de centrale componenten in omvormers: ze vormen gelijk- en wisselstroom om en zetten die om naar verschillende spanningsniveaus. Ze zijn zo wel te vinden in laadapparaten voor mobiele telefoons als de motoraansturing van de ICE.

Ook in de automobielwereld speelt vermogenselektronica een belangrijke rol. Het rendement en de vermogensdichtheid kan het succes bepalen van bijna alle ‘Green Car’ concepten van toekomstige hybride- en elektrische auto’s. De vermogenselektronica wordt naast de eigenlijke elektrische aandrijving namelijk ook gebruikt voor de terugwinning van remenergie, voor intelligente batterijlaadconcepten en voor het boordnet. Vandaar dat belangrijke ontwikkelimpulsen voortkomen uit de automobielindustrie.

Van Si naar GaN

Al meer dan vijftig jaar is silicium het materiaal bij uitstek voor deze elektronicacomponenten. De technologie is inmiddels zover vooruitgegaan, dat het materiaal zelf de grens vormt. Galliumnitride (GaN) belooft betere materiaaleigenschappen. Bij de microgolftechniek worden al hoogfrequente vermogenstransistoren van galliumnitride toegepast, zoals in basisstations voor de mobiele telefoon.

Samen met partners uit wetenschap en industrie wil het instituut nieuwe soorten galliumnitride transistoren voor vermogenselektronica ontwikkelen. Hierbij wordt de keten van ontwikkeling tot aan het kant en klare product afgedekt. De onderzoekers streven naar efficiëntere energieomvormers, die bijvoorbeeld in hybride en elektrische auto’s maar ook bij fotovoltaïsche installaties kunnen worden toegepast.

Voordelen

Galliumnitride heeft ten opzichte van silicium een belangrijk voordeel: het heeft een hogere bandafstand van 3,4 eV tegenover 1,1 eV bij silicium. Daardoor is het mogelijk om GaN-transistoren bij hogere temperaturen toe te passen. De koelbehoefte vermindert en het gewicht en de grootte van de omvormer worden kleiner. Dat betekent bijvoorbeeld bij een elektrische auto een duidelijke energiebesparing.

Galliumnitride heeft ook in hogere doorslagveldspanning. In vergelijking met een even grote siliciumtransistor kunnen daardoor hogere spanningen worden geschakeld. Hierdoor treedt minder vermogensverlies op. Bovendien zorgt een hogere verzadigingssnelheid van de elektronen voor hogere schakelsnelheden. De omvormermodules kunnen nog kleiner worden. De nieuwe vermogenstransistoren van GaN kunnen tientallen ampères bij spanningen tot 1000 V en meer schakelen. In het totaal hebben vermogensomvormers met galliumnitride transistoren een hoger rendement dan die met silicium transistoren. Ze zijn robuuster, sneller en efficiënter.

Veiligheid

Een belangrijk probleem is al opgelost. In de vermogenselektronica moet een transistor uit veiligheidsoverwegingen volledig uitschakelen als er geen spanning op de stuurelektrode staat. Deze transistor noemt men zelfsperrend.

Bij de galliumnitride transistoren is dat normalerwijze niet het geval. In de microgolftechniek is deze transistor bij een gatespanning van 0 V nog steeds in geleidende toestand. Men spreekt van een zelfgeleidende transistor. Om deze transistor uit te schakelen is een negatieve gatespanning nodig. De bruikbare spanning van de FBH-transistoren kon van – 5 V worden verschoven tot 1 V à 2 V. Daarmee zitten de onderzoekers ruim genoeg in het positieve gebied, om de transistoren in de vermogenselektronica te kunnen gebruiken.

Bovendien konden ze de inschakelweerstand laag houden, waardoor de zelfsperrende GaN-transistoren naar eigen zeggen wereldwijd tot de beste behoren.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven