Für sein Paper zu „Design und Performance eines 200 kHz-GaN-Motor-Inverters“ wurde Franz Stubenrauch als einer von drei Ingenieuren mit dem Young Engineer Award ausgezeichnet. (Bild: Mesago)
Sie arbeiten als Forschungsingenieur mit Schwerpunkt Leistungselektronik an der HS Rosenheim, gleichzeitig promovieren Sie an der TU München. Was ist der Schwerpunkt Ihrer Forschung?
Ich bin Teil einer Projektgruppe, die den Halbleiter Galliumnitrid im Hinblick auf moderne Antriebslösungen untersucht. Jeder von uns hat einen betreuenden Professor an der HS Rosenheim und einen Professor an der TU München. Mein Schwerpunkt im Team ist die Leistungselektronik in Bezug auf Antriebstechnik. Konkret , wie kann man bestehende Antriebssysteme dynamischer machen oder eine höhere Effizienz erreichen? Im Idealfall natürlich beides. Aktuell beschränken wir uns dabei auf rotatorische Antriebe, aber auch auf lineare Antriebe könnte man das Prinzip umsetzen. In meiner Dissertation beschäftige ich mich passend dazu damit, wie dynamisch und präzise man mit elektrischen Antrieben positionieren kann.
Welche Rolle spielt Galliumnitrid konkret in Ihrer Forschung?
Durch den Einsatz von Galliumnitrid kann man Schaltvorgänge schneller und mit geringeren Verlusten ausführen, womit eine höhere Effizienz erreicht wird. Oder, was mein Schwerpunkt war, man kann die Frequenz der Schaltvorgänge erhöhen. Damit gewinnt man einen Freiheitsgrad hinzu, weil mit gesteigerten Taktfrequenzen in regelungstechnischen Anwendungen die Verzögerungszeiten reduziert werden. Außerdem ist man in der Lage, Filter einzusetzen, um dem Antrieb eine bessere Signalqualität zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich nimmt bei höheren Taktfrequenzen oftmals das Volumen der Filterschaltungen ab, da sich das Volumen von passiven Komponenten wie Induktivitäten und Kondensatoren reduziert. Galliumnitrid ermöglicht diese Komprimierung.
Bringt die angesprochene höhere Schaltfrequenz nur Vorteile?
Letztendlich hängt das von der Anwendung ab. Grundsätzlich führt eine höhere Schaltfrequenz zu höheren Verlusten in den Halbleitern, deswegen ist es zwingend notwendig, die Effizienz von Galliumnitrid Halbleitern auszunutzen. Bei Standardbauelementen würde eine erhöhte Schaltfrequenz die Effizienz der Antriebslösung stark reduzieren. Ein Vorteil erhöhter Schaltfrequenz ist, dass es den Einsatz von kostengünstigen Filtern ermöglicht. Dadurch kann eine Entkopplung der Halbleiter vom Antrieb erreicht werden.
Galliumnitrid einzusetzen geht im Vergleich zu anderen Halbleitermaterialien mit erheblichen Mehrkosten einher. Wird das so bleiben?
Ein Grund, warum Galliumnitrid-Halbleiter so stark in den Fokus der Forschung gerückt sind, ist, dass man diese im Gegensatz zu Silizium-Carbid-Halbleitern auf deutlich preiswerteren Silizumsubstraten herstellen kann. Dem Grundträgermaterial Silizium werden dabei über Epitaxie sehr dünne Schichten aus Galliumnitrid aufgewachsen. Aus diesem Grund prophezeien viele, dass Galliumnitrid-Halbleiter in naher Zukunft relativ kostengünstig zur Verfügung stehen werden. Im Vergleich zu Silizium-Bauteilen kann mit geringerer Halbleiterfläche die gleiche Leistungsfähigkeit erreicht werden.
Auf der nächsten Seite lesen Sie mehr über das Potenzial von und das Packaging für Galliummitrid-Halbleiter.
Wo sehen Sie noch Potenzial für Galliumnitrid-Halbleiter?
Potenzial gibt es gleichermaßen beim Halbleiter selbst wie auch bei dessen Umgebung. Er erfordert komplett andere Gehäuse- und Aufbautechniken. Um Galliumnitrid-Halbleiter effizient nutzen zu können, muss man schneller schalten als mit aktuellen Siliziumbauteilen. Das schnelle Schalten hat den Nachteil, dass es höhere Anforderungen an die Schaltungsumgebung stellt. Letztendlich kann jedes Leiterstück der Schaltung die Leitungsfähigkeit von Galliumnitrid wieder reduzieren. Man benötigt einen hoch optimierten Aufbau, um von der Performancesteigerung profitieren zu können.
Wie muss eine Schaltung und ein Packaging beschaffen sein, um für die Verwendung im Zusammenhang mit Galliumnitrid geeignet zu sein?
Kurz gesagt braucht man sehr kurze Anschlussdrähte zwischen den Bauteilen, am besten wäre es, man hätte überhaupt keine Anschlussdrähte mehr. Die klassischen Halbleiter werden aktuell noch relativ häufig über Drähte gebondet. Diese führen zusätzliche Induktivitäten in die Schaltung ein, welche zusammen mit den Halbleitern einen Schwingkreis bilden. Das kann dann zu Überspannung an den Halbleitern führen oder auch zur Nicht-Kontrollierbarkeit, sodass der Halbleiter nicht mehr steuerbar ist.
Therese Meitinger
