Meer efficiëntie voor de vermogenselektronica

Meer efficiëntie voor de vermogenselektronica

Onder leiding van het Ferdinand-Braun-Institut is nu het EU-project HiPoSwitch gestart. Het richt zich op energie-efficiëntere, compactere en krachtigere elektronische vermogende converters voor diverse toepassingen, zoals in informatietechnologie en communicatie of bij de omzetting van zonne-energie. De projectpartners dekken de volledige waardeketen af, van de ontwikkeling van componenten tot industriële toepassing.

Laag energieverbruik en hoge prestaties zijn de kernvereisten voor moderne vermogende convertersystemen. Ze moeten hulpbronnen besparen en tegelijkertijd steeds grotere datamengen verwerken. Vermogentransistoren zijn de elementaire componenten van elektronische vermogende converters die gelijk- en wisselstroom op verschillende spanningen transformeren. Ze zijn in bijna elk technisch apparaat te vinden; in de informatietechnologie en communicatie spelen ze bijvoorbeeld een centrale rol in mobiele basisstations. Andere toepassingsgebieden zijn gelijk- en wisselstroomvoedingen voor computers, netwerken en opslag, evenals zonne-omzetters, elektrische en hybride voertuigen.

Het door het Ferdinand-Braun-Institut gecoördineerde EU-project HiPoSwitch richt zich de komende drie jaar op nieuwe galliumnitride (GaN)-gebaseerde transistors. Deze moeten in toekomstige vermogende convertersystemen zorgen voor minder volume en gewicht, terwijl de prestaties toenemen. De efficiëntie van huidige systemen wordt meestal beperkt door de gebruikte actieve schakelingselementen. Tegenwoordig worden meestal componenten op basis van silicium of siliciumcarbide gebruikt. De siliciumtechnologie is inmiddels zo ver gevorderd dat het materiaal zelf aan zijn grenzen stuit, of zoals bij siliciumcarbide, zeer duur is. Beter materiaaleigenschappen belooft galliumnitride (GaN). Met GaN-gebaseerde componenten kunnen vermogenschakelaars bij aanzienlijk hogere frequenties worden bedreven, zonder significante schakelfouten te hoeven accepteren. De reden is de aanzienlijk lagere inschakelweerstand van GaN-vermogentransistoren, die samen met de sterk gereduceerde in- en uitgangskapaciteiten leiden tot een aanzienlijk verbeterd schakelen. Met hogere schakelfrequenties kan bovendien de grootte van passieve componenten zoals spoelen, stroomtransformatoren en condensatoren aanzienlijk worden verminderd – de assemblage wordt in totaal kleiner. De transistors worden opgebouwd op kosteneffectieve siliciumsubstraten en zijn daardoor vanuit economisch oogpunt zeer interessant, omdat ze op lange termijn veel betere technische eigenschappen combineren met relatief lage kosten.
5,6 miljoen euro stroomt in het samenwerkingsproject met acht Europese partners; het EU-subsidiebedrag bedraagt 3,6 miljoen euro. De competenties van de projectpartners dekken de volledige waardeketen van onderzoek en ontwikkeling (Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH); Slowaakse Academie van Wetenschappen; Technische Universiteit Wenen; Universiteit Padua) tot industriële toepassing (AIXTRON SE, Artesyn Austria GmbH & Co. KG, EpiGaN, Infineon Technologies Austria AG). Na voltooiing van het project zullen GaN-vermogentransistoren en 200 mm GaN-op-silicium-onderlagen industrieel beschikbaar zijn en wereldwijd worden vermarkt.

Hechte samenwerking: ontwikkeling van componenten en industriële overdracht
Het Berlijnse Ferdinand-Braun-Institut en Infineon Technologies Austria ontwikkelen in het project gezamenlijk zelfsluitende GaN-vermogentransistoren in verticale architectuur. De opbouw van de transistors gebeurt voornamelijk op GaN-op-Si-wafers van EpiGaN; ter benchmarking worden structuren op GaN-op-SiC-wafers van het FBH parallel getest. De procesmodules van het FBH moeten zo snel mogelijk worden overgedragen op een massaproof industrieel proces bij Infineon. Ook worden exploratieve concepten onderzocht voor nieuwe zelfsluitende GaN-vermogentransistoren die bijvoorbeeld bij hoge temperaturen tot 250°C kunnen werken. Vooral de Technische Universiteit Wenen en de Slowaakse Academie van Wetenschappen in Bratislava leggen hiermee al in het project de basis voor een toekomstige verdere ontwikkeling van de technologieën. Alle ontwikkelingswerkzaamheden worden begeleid door continue intensieve betrouwbaarheid- en uitvalsonderzoeken. Vooral de Universiteit van Padua brengt haar uitgebreide ervaring in betrouwbaarheidstests van GaN-componenten en uitvalmechanismen in.

Parallel aan de ontwikkeling van componenten werken de industriële partners aan de overdracht van de technologie naar een industriële omgeving voor de productie van grote series: Het Belgische bedrijf EpiGaN richt zich op 200 mm GaN-op-Si-epitaxie-ontwikkelingen, terwijl het Duitse bedrijf AIXTRON zijn epitaxiereactoren optimaliseert voor de doorvoer van grote hoeveelheden. Infineon Technologies Austria AG evalueert in haar proceslijn de ontwikkelde transistorconcepten en de GaN-op-Si-wafers van EpiGaN. Artesyn Austria zal de prestaties van de nieuw ontwikkelde technologie demonstreren met een hoogrendementsinverter van kilowatt-klasse, dat bijvoorbeeld in basisstations van de nieuwste generatie voor mobiele communicatie wordt gebruikt.