GaN-Leistungselektronik für bidirektionales, einphasiges DC-Laden von Elektrofahrzeugen
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF stellt auf der PCIM Expo & Conference 2026 in Nürnberg vom 9. bis 11. Juni neue Entwicklungen im Bereich der Galliumnitrid-(GaN)-Leistungselektronik vor. Im Fokus steht ein Demonstrator eines bidirektionalen, einphasigen 800-V-DC-Ladegeräts für Elektrofahrzeuge, das im Rahmen des BMWE-geförderten Projekts GaN4EmoBiL vom Partner Ambibox entwickelt wurde und ein 1200-V-GaN-Modul des Fraunhofer IAF integriert.
Entwicklung eines GaN-basierten Leistungselektronikmoduls
Im Projekt GaN4EmoBiL wurde ein leistungselektronisches Modul auf Basis von GaN-Halbleitern für bidirektionale Gleichstrom-Ladesysteme der 800-V-Klasse entwickelt. Dieses Modul, gefertigt auf isolierendem Substrat und mit 1200-V-GaN-Bauelementen ausgestattet, wurde von der Ambibox GmbH in einen Demonstrator für ein einphasiges Off-Board-Ladegerät integriert. Das System ist für Batteriespannungen von 150 V bis 920 V ausgelegt, um die Vorteile der GaN-Bauelemente in realen Anwendungen zu evaluieren.
Technische Merkmale des Ladegeräts
- Leistung: Bis zu 3 kW bidirektional
- Spannungsklasse: 800 V DC
- Mobil, kompakt und leicht (Gesamtvolumen 8,3 l, Gewicht 5,7 kg inklusive Stecker)
- Unterstützt CCS- und Schutzkontaktstecker (Schuko)
Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch, Projektkoordinator, hebt hervor, dass der Demonstrator eine Lücke zwischen Kosten, Flexibilität, Effizienz und Kompaktheit im Bereich des bidirektionalen Ladens schließt. Im Gegensatz zu On-Board-Chargern, die in Elektrofahrzeugen verbaut sind und hohe Leistungen von 11 bis 22 kW bieten, zeichnet sich der Off-Board-Charger durch geringere Kosten und erhöhte Mobilität aus.
Bidirektionales Laden als Schlüsseltechnologie
Achim Lösch, Business Developer am Fraunhofer IAF, betont die Bedeutung des bidirektionalen Ladens für die Flexibilisierung des Energiesystems. Elektrofahrzeuge können so als Energiespeicher fungieren, indem sie bei Stromüberschuss Energie aufnehmen und bei Spitzenlasten wieder ins Netz einspeisen. Das GaN-basierte System ermöglicht hohe Sperrspannungen, was für diese Funktionalität entscheidend ist.
Forschungsschwerpunkte und Messepräsenz
Das Fraunhofer IAF entwickelt neben GaN-Bauelementen auch integrierte Leistungsschaltungen (GaN Power ICs), die durch Funktionsintegration eine Miniaturisierung auf Systemebene fördern. Ziel ist es, Wide-Bandgap-Technologien zu Siliziumpreisen mit hoher Spannungsklasse, Stromtragfähigkeit und Wafer-Größe zu realisieren.
Auf der PCIM Expo & Conference 2026 präsentiert das Institut an Stand 260 in Halle 6 verschiedene GaN-basierte Komponenten und Module, darunter den Demonstrator des bidirektionalen Ladesystems. Vier Wissenschaftler des Fraunhofer IAF stellen ihre Forschungsergebnisse in Vorträgen und Poster-Sessions vor:
- Dr. Michael Basler eröffnet die Konferenz mit der Keynote „The GaN Evolution: Lateral, Vertical, and Bidirectional – What’s Next?“ am 9. Juni um 9:45 Uhr.
- Dr. Richard Reiner hält zwei Vorträge zu GaN-Bauelementkonzepten und Leistungsskalierung sowie eine Panel-Diskussionsteilnahme.
- Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch und Daniel Fugmann präsentieren Poster zu GaN-Leistungshalbleitern und deren dynamischem Verhalten.
GaN-Leistungselektronik als Basis für die All Electric Society
Die Leistungsfähigkeit von GaN-Halbleitern ermöglicht Fortschritte in der Energieumwandlung und -speicherung, die für eine nachhaltige All Electric Society notwendig sind. GaN-Bauelemente erlauben schnellere, kompaktere und effizientere Systeme, insbesondere im Spannungsbereich bis 1200 V und perspektivisch bis 1700 V. Dies verbessert die Reichweite und Wirtschaftlichkeit von Elektrofahrzeugen und unterstützt deren breite Akzeptanz.
Projekt GaN4EmoBiL
Das Konsortium GaN4EmoBiL verfolgt das Ziel, ein intelligentes, kosteneffizientes bidirektionales Ladesystem zu entwickeln. Dazu werden neue Hochvolt-GaN-Transistoren auf alternativen Substraten, bidirektional sperrfähige Leistungsschalter und innovative On- und Off-Board-Ladegeräte erforscht. Die Zuverlässigkeit für lange Betriebsdauern wird ebenfalls untersucht. Das Projekt schließt eine bestehende Lücke zwischen Kosten, Effizienz, Kompaktheit, Funktionalität und Leistungsklassen bei 800-V-Batterien und wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
Fraunhofer IAF – Forschung und Entwicklung
Das Fraunhofer IAF zählt zu den weltweit führenden Instituten für III/V-Halbleiter und synthetischen Diamanten. Es entwickelt Bauelemente für zukunftsweisende Anwendungen wie innovative Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für Echtzeit-Sensorik, Quantencomputer-Hardware und Quantensensoren für die Industrie. Das Institut deckt die gesamte Wertschöpfungskette von der Materialforschung bis zur Systemintegration ab.
https://www.iaf.fraunhofer.de/
Präsentationen des Fraunhofer IAF auf der PCIM Conference 2026
- 9. Juni, 9:45 Uhr, Stage Tokio, Level 3: Dr. Michael Basler – „The GaN Evolution: Lateral, Vertical, and Bidirectional – What’s Next?“ (Keynote)
- 9. Juni, 11:40 Uhr, Stage Tokio, Level 3: Dr. Richard Reiner – „GaN-HEMTs vs. GaN-›Bricks‹: A Device Concept Comparison“
- 10. Juni, 10:25 Uhr, Technology Stage: Dr. Richard Reiner – „Scaling Up the Power of GaN Technologies: Paving the Way for the 1200 V Class and Beyond“
- 10. Juni, 12:45–14:15 Uhr, Halle 4A, Poster-Session „Advanced Power Devices“: Jun.-Prof. Dr. Stefan Mönch – „A 600 V Three-Phase Inverter as GaN Power Converter IC on Substrate Biasing-Free Isolating Substrate“
- 10. Juni, 15:30–17:00 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 Dr. Richard Reiner
