Demonstrator eines bidirektionalen einphasigen 3-kW-DC-Ladegeräts mit GaN-Leistungselektronik. Das leistungselektronische Modul (oben) haben Forschende des Fraunhofer IAF auf Basis des Leistungshalbleiters Galliumnitrid (GaN) und alternativen isolierenden Substraten entwickelt. Die Realisierung des Demonstrators sowie die Integration des Moduls erfolgte durch den GaN4EmoBiL-Projektpartner Ambibox GmbH.

Nahansicht des am Fraunhofer IAF entwickelten und gefertigten Leistungsmoduls mit GaN-Transistoren der 1200-V-Klasse auf isolierendem Substrat für den Einsatz in bidirektionalen DC-Ladesystemen

»Der einphasige Demonstrator eines Off-Board-Ladegerät mit bis zu 3 kW bidirektionaler Leistung adressiert eine bestehende Lücke im Spannungsfeld zwischen Kosten, Flexibilität, Effizienz und Kompaktheit für bidirektionales Laden«, verdeutlicht Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch, Koordinator des Projekts GaN4EmoBiL. Aktuell werden in elektrischen Fahrzeugen On-Board-Charger fest verbaut, um den Wechselstrom (Alternating Current, AC) einer Haushaltssteckdose oder öffentlichen Ladestation in den vom E-Auto benötigten Gleichstrom zu wandeln, beispielsweise bei einer Leistung von 11 oder 22 kW für schnelle Ladevorgänge.

On-Board-Charger verursachen durch ihre Größe, ihr Gewicht und ihre technische Komplexität allerdings hohe Kosten. Der in GaN4EmoBiL entwickelte Off-Board-Charger stellt eine deutlich günstigere und flexiblere Alternative dar: Durch seine Leistung von 3 kW fällt die Ladegeschwindigkeit im Vergleich zu On-Board-Ladesystemen zwar geringer aus, dafür ist er mobil, wesentlich kompakter und leichter sowie durch seinen CCS-Stecker (Combined Charging System) und Schutzkontaktstecker (Schuko) vielseitig nutzbar. Der Demonstrator verfügt über ein Gesamtvolumen von 8,3 l und ein Gesamtgewicht (inklusive Steckern) von 5,7 kg.

Einen weiteren Vorteil stellt die Fähigkeit des bidirektionalen Ladens dar. »Bidirektionales Laden bei hohen Sperrspannungen, wie es das demonstrierte GaN-Ladesystem erlaubt, bildet eine wichtige Säule bei der Flexibilisierung des Energiesystems«, betont Achim Lösch, Business Developer für Hochfrequenz- und Leistungselektronik am Fraunhofer IAF. Durch bidirektionales Laden kann ein E-Auto nicht nur als Transportmittel, sondern auch als Energiespeicher fungieren. In Zeiten des Überangebots zieht es Strom aus dem Netz, bei Spitzenlast speist es Strom ein.

»Am Fraunhofer IAF entwickeln wir innovative GaN-Bauelemente und integrierte Leistungsschaltungen (GaN Power ICs), die nicht nur effizient sind, sondern durch Funktionsintegration auch die Miniaturisierung auf Systemebene entscheidend vorantreiben«, erklärt Dr. Michael Basler, Wissenschaftler im Bereich GaN-Leistungselektronik am Fraunhofer IAF. »Parallel treiben wir die Skalierbarkeit der Technologien in Bezug auf Spannungsklasse, Stromtragfähigkeit und Wafer-Größe voran. Unser Ziel: Wide-Bandgap-Performance zum Siliziumpreis.«

Einen Überblick der Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten des Fraunhofer IAF im Bereich der GaN-Leistungselektronik bietet das Institut bei der diesjährigen PCIM Expo & Conference, die vom 9. bis 11. Juni 2026 in Nürnberg stattfindet und 2026 das Thema »Leistungselektronik für die Energietechnik« fokussiert. Bei der Ausstellung zeigt das Fraunhofer IAF an Stand 260 in Halle 6 diverse GaN-basierte leistungselektronische Komponenten und Module – als Highlight den Demonstrator des bidirektionalen Ladesystems für E-Autos. Im Zuge der Konferenz präsentieren vier Forscher des Fraunhofer IAF aktuelle Arbeiten in Vorträgen und Poster-Sessions.

Besonders hervorzuheben ist der Keynote-Vortrag von Dr. Michael Basler am 9. Juni um 9:45 Uhr: »The GaN Evolution: Lateral, Vertical, and Bidirectional – What’s Next?« Der Vortrag eröffnet in diesem Jahr die PCIM Conference. Basler überblickt darin die bisherige Entwicklung von GaN-Transistoren für die Leistungselektronik, erläutert ihre Vorzüge und blickt auf kommende Innovationen voraus.

Dr. Richard Reiner hält zwei Vorträge: Am 9. Juni vergleicht er ab 11:40 Uhr zwei verschiedene Konzepte für GaN-Bauelemente (»GaN-HEMTs vs. GaN-›Bricks‹«), am 10. Juni spricht Reiner ab 10:25 Uhr auf der Technology Stage über die Leistungsskalierung von GaN-Technologien (»Scaling Up the Power of GaN Technologies«). Zudem nimmt Reiner am 11. Juni ab 11:45 Uhr an der Panel-Diskussion »What’s up, What’s Next for GaN?« teil, die Bodo’s Power Systems veranstaltet.

An der Poster-Session »Advanced Power Devices« am 10. Juni zwischen 12:45 und 14:15 Uhr in Halle 4A nimmt Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch teil. Er präsentiert sein Poster »A 600 V Three-Phase Inverter as GaN Power Converter IC on Substrate Biasing-Free Isolating Substrate«. Daniel Fugmann präsentiert sein Poster »The Influence of Field Plates on the Dynamic RON in GaN-Based Monolithic Bidirectional Switches« in der Poster-Session »GaN Devices and Driving«, die am 10. Juni zwischen 15:30 und 17:00 Uhr in Halle 4A stattfindet.