Effizientes Schnellladen an der Steckdose mittels neuartiger Transistoren

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

Das Laden von Elektroautos an der Garagensteckdose ist zwar grundsätzlich möglich, im Vergleich zur Nutzung von Schnellladestationen aber ineffizient: Bei der Umwandlung des Wechselstroms aus dem Netz in den vom Fahrzeug benötigten Gleichstrom kommt es zu teilweise erheblichen Ladeverlusten. Auch die immer weiter verbreiteten Wallboxen verhindern diese Verluste nicht vollständig.

Forschende am Fraunhofer IZM erproben im Projekt EnerConnect bidirektional sperrende Transistoren aus Galliumnitrid (GaN). Schon heute nutzen aktive Gleichrichter für Elektrofahrzeuge die Vorteile von Halbleitern aus GaN oder Siliziumcarbid (SiC). Diese ermöglichen hohe Schaltfrequenzen und damit kleinere, günstigere passive Bauteile. Allerdings können sie nur in einer Richtung die Spannung sperren. Anders die bidirektional sperrenden GaN-Transistoren. Bei ihnen können durch zwei Gatestrukturen positive und negative Spannungen gesperrt werden. Das macht neue Schaltungstopologien für Wechsel- und Gleichrichter, die am öffentlichen Versorgungsnetz betrieben werden, interessant.

Konventionell werden aktive Gleichrichter in E-Autos mit hohen Spannungen geschaltet. Mit der neuartigen Schaltung, die am Fraunhofer IZM erforscht wird, kann die Spannung aber auch tiefer gesetzt werden. Durch die dadurch niedrigere Schaltspannung verringern sich die Schaltverluste im Stromrichter. Daneben ermöglicht die Schaltung die Einsparung einer Wandlerstufe.

Wandler-Wirkungsgrad von bis zu 99 %

Durch beide Effekte kann der Wirkungsgrad des Wandlers auf bis zu 99 % erhöht werden. Auch eine weitere Erhöhung der Schaltfrequenz und der Leistungsdichte ist mit der neuen Schaltung denkbar. Angestrebt wird eine Schaltfrequenz von 300 kHz. Dies birgt das Potenzial, die Leistungsdichte auf 15 kW pro Liter zu erhöhen, was dem 8-Fachen von derzeit handelsüblichen Ladegeräten entspricht, teilt das Fraunhofer Institut mit.

Die Technologie bietet sich insbesondere für den Einsatz in Elektrofahrzeugen an, weil der Wandler fest im Fahrzeug installiert ist und somit sehr kompakt sein muss. Das Ziel für das Projekt EnerConnect ist es, die Schaltung für den Betrieb am öffentlichen Versorgungsnetz zu optimieren. Das soll zum Beispiel das Schnellladen von E-Autos am Hausstrom ermöglichen.

Der Energietransfer des Wandlers kann in beide Richtungen erfolgen. Neben der Nutzung der Fahrzeugbatterie als Energiespeicher ist diese Technologie deshalb auch für den Einsatz in Photovoltaik-Anlagen prädestiniert.

SW&W-Redaktion

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