GaN-Leistungselektronik für bidirektionales, einphasiges DC-Laden von Elektrofahrzeugen
GaN-Leistungselektronik kombiniert Leistungs-, Effizienz- und Kostenvorteile und spielt für die Energiewende eine zentrale technologische Rolle. Im Rahmen der PCIM Expo & Conference 2026 präsentiert das Fraunhofer IAF vom 9. bis 11. Juni in Nürnberg neueste Entwicklungen im Bereich der GaN-Leistungselektronik – als Highlight den Demonstrator eines bidirektionalen, einphasigen 800-V-DC-Ladegeräts für E-Autos. Er wurde im Rahmen des BMWE-Projekts GaN4EmoBiL vom Projektpartner Ambibox entwickelt und enthält ein 1200-V-GaN-Modul des Fraunhofer IAF.
Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF haben im Rahmen des Projekts GaN4EmoBiL (»GaN-Leistungshalbleiter für Elektromobilität und Systemintegration durch bidirektionales Laden«) ein leistungselektronisches Modul auf Galliumnitrid-(GaN-)Basis für bidirektionale Gleichstrom-Ladesysteme (Direct Current, DC) der 800-V-Klasse entwickelt. Der Projektpartner Ambibox GmbH integrierte das Modul in den Demonstrator eines bidirektionalen, einphasigen Off-Board-Ladegeräts für elektrische Fahrzeuge.
Das Modul des Fraunhofer IAF nutzt GaN-Bauelemente der 1200-V-Klasse, die auf einem isolierenden Substrat realisiert wurden. Die überlegenen Eigenschaften der Bauelemente sollen durch den Einsatz im Demonstrator mit Batteriespannungen von 150 V bis zu maximal 920 V evaluiert werden. Die erfolgreiche Entwicklung unterstreicht das enorme Potenzial, das GaN-basierte Leistungselektronik für die Zukunft der Elektromobilität aufweist.
Bidirektionales, einphasiges 800-V-DC-Ladegerät für 3 kW Leistung
»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.
GaN-Leistungselektronik für Energietechnik: Fraunhofer IAF auf der PCIM Expo & Conference 2026
»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.
GaN-Leistungselektronik für die All Electric Society
Zu den wesentlichen technologischen Bedingungen der All Electric Society gehört die kontinuierliche Entwicklung immer leistungsfähigerer und effizienterer Leistungselektronik – insbesondere in Systemen zur Energieumwandlung und -speicherung. In diesen Anwendungen stellen leistungselektronische Bauelemente ein Nadelöhr dar: Die maximal verarbeitbare Spannung eines Wandlers wird in der Regel durch die Spannungsfestigkeit der eingesetzten Halbleiter bestimmt und definiert damit eine entscheidende Systemgrenze. Entsprechend ist die Leistungsfähigkeit dieser Bauelemente maßgeblich für die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems.
Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften ermöglicht GaN signifikante Fortschritte in der Leistungselektronik für Energiewandlungsanwendungen. Mit GaN-basierten Bauelementen können schnellere, kompaktere und effizientere Systeme entwickelt werden. Im Bereich der Elektromobilität öffnet GaN durch die Kombination von Leistungsfähigkeit, Effizienz und reduzierten Kosten die Tür für den Einsatz von Leistungselektronik in Spannungsklassen bis 1200 V und perspektivisch bis 1700 V.
Derart performante Systeme wirken sich sowohl positiv auf die Reichweite von E-Autos als auch auf deren Kostenbilanz aus. Sie tragen dazu bei, die Elektromobilität stärker in der Breite der Gesellschaft zu verankern.
Über das Projekt GaN4EmoBiL
Das Ziel des GaN4EmoBiL-Konsortiums besteht darin, mit neuen Halbleiter-, Bauelement- und Systemtechnologien ein intelligentes und kostengünstiges bidirektionales Ladesystem zu demonstrieren. Dafür erforschen die Projektpartner neue Halbleiter-Bauelemente (GaN-Hochvolt-Transistoren auf kostengünstigen alternativen Substraten), Bauteilkonzepte (bidirektional sperrfähige Leistungsschalter) sowie neue System-Komponenten (On- und Off-Board AC- und DC-Ladegeräte) auch im Hinblick auf ihre Zuverlässigkeit für stark erhöhte Betriebsdauern.
Durch Demonstratoren soll die noch vorhandene Forschungs- und Entwicklungslücke adressiert werden, die momentan im Spannungsfeld zwischen Kosten, Effizienz, Kompaktheit, Funktionalität, Leistungsklasse und Spannungsklasse (800-V-Batterien) existiert. Damit leistet GaN4EmoBiL einen wichtigen Beitrag für eine großflächige bidirektionale Systemintegration in der Elektromobilität.
Das Projekt GaN4EmoBiL wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des Programms »Elektro-Mobil« gefördert.
Über das Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der III/V-Halbleiter und des synthetischen Diamanten. Auf Basis dieser Materialien entwickelt das Fraunhofer IAF Bauelemente für zukunftsweisende Technologien, wie elektronische Schaltungen für innovative Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für die spektroskopische Echtzeit-Sensorik, neuartige Hardware-Komponenten für Quantencomputer sowie Quantensensoren für industrielle Anwendungen. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deckt das Freiburger Forschungsinstitut die gesamte Wertschöpfungskette ab – angefangen bei der Materialforschung über Design und Prozessierung bis hin zur Realisierung von Modulen, Systemen und Demonstratoren.
https://www.iaf.fraunhofer.de/
PCIM Conference: Präsentationen des Fraunhofer IAF
9. Juni, 9:45 Uhr, Stage: Tokio, Level 3 [Keynote]
Michael Basler: »The GaN Evolution: Lateral, Vertical, and Bidirectional – What’s Next?«
9. Juni, 11:40 Uhr, Stage: Tokio, Level 3
Richard Reiner: »GaN-HEMTs vs. GaN-›Bricks‹: A Device Concept Comparison«
10. Juni, 10:25 Uhr, Technology Stage
Richard Reiner: »Scaling Up the Power of GaN Technologies: Paving the Way for the 1200 V Class and Beyond«
10. Juni, 12:45 Uhr, Halle 4A, Poster-Session »Advanced Power Devices«
Stefan Mönch: »A 600 V Three-Phase Inverter as GaN Power Converter IC on Substrate Biasing-Free Isolating Substrate«
10. Juni, 15:30 Uhr, Halle 4A, Poster-Session »GaN Devices and Driving«
Daniel Fugmann: »The Influence of Field Plates on the Dynamic RON in GaN-Based Monolithic Bidirectional Switches«
11. Juni, 11:45 Uhr, Panel-Diskussion »What’s up, What’s Next for GaN?« (Bodo’s Power Systems)
Teilnahme Richard Reiner
Weitere Informationen:
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/kunden/elektronische-schaltungen/leistungselektronik.html: Überblick über die Forschungsaktivitäten des Fraunhofer IAF im Bereich GaN-Leistungselektronik
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/forscher/elektronische-schaltungen/Leistungselektronik/gan4emobil.html: Steckbrief des Projekts GaN4EmoBiL
https://www.iaf.fraunhofer.de/de/netzwerker.html: Informationen zur Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IAF
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