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Teilvorhaben: Ansteuer- und Leistungselektronik mit Delta-Sigma-PWM-Baustein und GaN-Treiber

Das Projekt "Teilvorhaben: Ansteuer- und Leistungselektronik mit Delta-Sigma-PWM-Baustein und GaN-Treiber" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von TRINAMIC Motion Control GmbH & Co. KG durchgeführt. Die heute verfügbaren, elektrifizierten Lastenräder sind noch nicht auf die zukünftigen Anforderungen des urbanen Transports ausgelegt. Dies betrifft neben ihrem Gewicht und einer stark limitierten Transportkapazität auch die Effizienz des gesamten Antriebssystems, wodurch die tatsächliche Reichweite als auch die Nutzungsdauer stark eingeschränkt werden. Um diesen Einschränkungen zu begegnen, wird ein innovativer Ansatz auf der Basis eines neuartigen Delta-Sigma-PWM-Modulators verfolgt, der eine Leistungssteigerung bei gleichzeitiger Reduktion der Umrichterverluste in der Ansteuerelektronik erlaubt. Die hocheffiziente Leistungselektronik soll erstmals auf der Basis von Galliumnitrid FETs realisiert werden. Ziel ist es, die Hauptkomponenten der Antriebselektronik in einem MultiChip-Package abzubilden. Antriebsseitig werden strukturintegrierbare Rotor-Stator-Konstruktionen in Faserverbundbauweise untersucht. Ein hybrider Energiespeicher bestehend aus SuperCaps und Lithium-Akkus soll effizient Bremsenergie aufnehmen. Die Funktionsfähigkeit und Effizienzvorteile sollen anhand eines Lastenraddemonstrators in Faserverbundbauweise nachgewiesen werden. TRINAMIC wird die effiziente Ansteuer- und Leistungselektronik umsetzen, einschließlich GaN Treiber optimiert für kompakte Systeme, Delta-Sigma-PWM-Baustein und Multichip-Baustein. Ein weiterer Schwerpunkt von TRINAMIC ist die Energiespeichertechnik unter Berücksichtigung einer optimierten Rekuperationsfähigkeit. Arbeitspakete: 1.1Entwicklung Testboard und techn. Vorbetrachtungen,1.2Erprobung GaN FETs m. unterschiedlichen PWM,1.3Adaptierung Delta-Sigma-PWM auf Testboard,1.4Erarbeitung GaN-Gatetreiber,1.5Erarbeitung Delta-Sigma-PWM Baustein,1.6Systemdesign prototypischer Motorcontroller,1.7Erarbeitung Controller-Software,1.8Systemoptimierung,4.3Bewertung Integrationsanforderungen Antrieb, Akku etc.,4.6Aufbau Lastenraddemonstrator - Antriebsintegration,4.7Fahrversuche zur Funktions- und Leistungsbewertung,4.8Versuchsauswertung.

Teilvorhaben: GaN-Epitaxie und Technologie für Leistungswandler von Morgen

Das Projekt "Teilvorhaben: GaN-Epitaxie und Technologie für Leistungswandler von Morgen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von United Monolithic Semiconductors GmbH durchgeführt. Ziel der UMS ist es, innerhalb des Projekts die zu erforschende Prozess-Technologie von Anfang an auf ihre industrielle Verwertung hin zu beurteilen und somit den beteiligten Wissenschaftlern von IAF und FBH eine entsprechende Rückmeldung zu geben. In dem vorliegenden Antrag ist die Rolle der UMS auf eine eher beratende Tätigkeit reduziert, um zum einen die Rückmeldung von einem erfahrenen Halbleiterhersteller sicherzustellen und dennoch den Spielraum der Forscher nicht zu sehr von rein ökonomische Fragestellungen wie Ausbeute etc. einzuengen. Die Beurteilung soll durch die Prozessierung erfolgversprechender Epi-Wafer bei der UMS erfolgen, wobei die Prozessierung nur einige Prozess-Schritte umfassen soll. Dabei soll die maximale Durchbruchspannung mit den Ergebnissen der Institute verglichen werden und dabei die Prozess-Kompatibilität betrachtet werden.

Teilvorhaben: Erforschung einer MOCVD-Technologie für die industrielle Herstellung von GaN-basierten HV-Bauelementen für die Leistungselektronik

Das Projekt "Teilvorhaben: Erforschung einer MOCVD-Technologie für die industrielle Herstellung von GaN-basierten HV-Bauelementen für die Leistungselektronik" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von AIXTRON SE durchgeführt. 1. Vorhabenziel Ziel des Teilvorhabens ist die Erarbeitung einer MOCVD Anlagen- und prozesstechnologie für die Abscheidung von HEMT-Strukturen auf Si-Substraten in Multiwafer Anlagen. 2. Arbeitsplanung Der heutige Stand der GaN-Produktionstechnik ist die MOCVD von komplexen Bauelementstrukturen in 42x2 Zoll Planetenreaktoren. Nach der erfolgreichen Erforschung von MOVCD-Prozessen auf 14x100 mm Si-Substraten in einem neuen, vorhandenen MOCVD Reaktor, wird auch die Abscheidung auf 8x150 mm bzw. 5x200 mm etabliert und auf bis zu 1x300 mm Substraten evaluiert. Auf der Basis der erzielten Prozessergebnisse werden die Reaktoren hinsichtlich Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und Ausbeute an 'guten' Wafern pro Abscheidung optimiert werden.

A highly efficient intelligent industrial microwave heating system based on high power solid state technology (CLEAN-HEAT)

Das Projekt "A highly efficient intelligent industrial microwave heating system based on high power solid state technology (CLEAN-HEAT)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH durchgeführt.

Teilprojekt: Entwicklung des Laders und Aufbau eines Demonstrators

Das Projekt "Teilprojekt: Entwicklung des Laders und Aufbau eines Demonstrators" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Delta Energy Systems (Germany) GmbH durchgeführt. Ziel des Verbundprojektes ist die Optimierung und Erweiterung der E-Fahrzeug Komponente On-Board Lader. Um den Einsatz von Primärenergie zu minimieren, die Reichweite zu maximieren, sind ein minimales Gewicht bei einem maximalen Wirkungsgrad entscheidende Parameter von On-Board Ladern. Gleichzeitig ist die Leistungsdichte des Laders zu erhöhen, damit eine möglichst hohe Flexibilität für dessen Einbau resultiert. Es wird eine Gewichts- und Volumenreduktion von 20% gegenüber dem aktuellen technischen Stand angestrebt. Ein weiteres Projektziel ist die Erweiterung des Laders auf bidirektionalen Leistungsfluss. Durch die hierdurch mögliche Netzeinbindung der Fahrzeugbatterie kann der hohe Batteriepreis durch einen Zusatznutzen relativiert werden. Ein primärer Schlüssel zur anvisierten Volumen- und Gewichtsreduzierung ist die Erhöhung der Schaltfrequenz, was aus technischen Gründen aber nur durch eine Miniaturisierung der Schaltzellen erreicht werden kann. Daher soll in einem Pilotprojekt zunächst eine entsprechende HF-Schaltzelle (HF: Hoch-Frequenz) unter Verwendung neuartiger Schaltertechnologie entwickelt werden. Für eine solche Schaltzelle ist eine neue Aufbau- und Verbindungstechnik zu entwickeln. Zur Ermöglichung von bidirektionalem Leistungsfluss sollen in einem dritten Pilotprojekt geeignete Schaltungstopologien bestimmt und getestet werden. Mit dem Querschnittsprojekt 'Design Optimierung' soll unter Anwendung mathematischer Methoden zur numerischen Optimierung ein konkreter Aufbau des Laders zum Entwurfszeitpunkt optimiert werden. Das Querschnittsprojekt 'GaN Evaluierung' dient der Qualifizierung und Bereitstellung von GaN Halbleiterschaltern. Diese befinden sich in einem noch andauernden Entwicklungsstadium, sind jedoch zur Erzielung hoher Leistungsdichte mittels Schaltfrequenzerhöhung erforderlich. Die entwickelten Methoden sollen durch Demonstratoren verifiziert werden.

Teilvorhaben: Entwicklung eines Demonstrators für PV-Anwendungen auf GaN Basis

Das Projekt "Teilvorhaben: Entwicklung eines Demonstrators für PV-Anwendungen auf GaN Basis" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik durchgeführt. Ziel des Verbundforschungsvorhabens GaN-HighPower ist es, die nächste Generation kostengünstiger, ressourcenschonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaikanwendungen zu erforschen, wobei der Fokus auf Stringwechselrichtern mit größerer Leistung. Hierfür sollen Galliumnitrid (GaN) Halbleitermodule zusammen mit anwendungsorientiert stark verbesserten induktiven Bauelementen erforscht und erprobt werden. Bisher ist die Anwendung der GaN Technologie auf deutlich kleinere Leistungsbereiche beschränkt. Im Rahmen des Projekts soll der höhere Leistungsbereich durch anwendungsorientierte Forschung für die PV erschlossen werden. Leistungshalbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) bieten einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Spannungen und hohen Schaltfrequenzen auf einem Niveau, das über den Fähigkeiten von Silizium-IGBT- und Siliziumkarbid-MOSFET (SiC) Leistungsschaltern liegt. Die Arbeiten des Fraunhofer IEE konzentrieren sich auf die Realisierung eines Demonstrators und optimierte Ansteuerverfahren für hohe Schaltfrequenzen um das Potential der neuen Technologie aufzuzeigen.

Teilvorhaben: Potenzielle GaN-Anwendung in der Luftfahrt

Das Projekt "Teilvorhaben: Potenzielle GaN-Anwendung in der Luftfahrt" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Liebherr-Elektronik GmbH, Bereich Entwicklung,Vorentwicklung durchgeführt. 1. Vorhabenziel Hochmoderne Leistungstransistoren auf Basis von Galliumnitrid (GaN) bieten im Bereich der Leistungselektronik ein großes Potential für Anwendungen mit hohen Leistungsdichten, hohen Schaltfrequenzen und hohen Temperaturen. Durch die Eigenschaften von GaN lassen sich Leistungstransistoren herstellen, die einen wesentlich kleineren Durchlasswiderstand und beachtlich geringe Schaltenergien aufweisen. Eine hohe Schaltfrequenz ermöglicht es, die reaktiven Bauelemente, die einen großen Anteil am Volumen, Gewicht und den Produktionskosten des DC/DC-Wandlers ausmachen, wesentlich kleiner auszulegen. Durch die Nutzung von GaN-Transistoren kann die Schaltfrequenz aus Halbleitersicht um ein Vielfaches in die Bereiche von über 1 MHz angehoben werden. Ziel dieses Gesamtprojektes ist es, einen galvanisch getrennten resonanten DC/DC-Wandler mit GaN-Transistoren mit einer Schaltfrequenz von über 1 MHz zu entwickeln, welcher von der LEG charakterisiert und auf Anwendungspotential in der Luftfahrt bewertet wird. Auch werden Erfahrungen mit Ansteuerung von GaN und neuen induktiven Bauteilen gesammelt. 2. Arbeitsplanung Der Beitrag der Liebherr-Elektronik gliedert sich in folgende Arbeitspakete: 1-Identifizierung von geeigneten Anwendungen von GaN-Halbleitern in Luftfahrtanwendungen, 2-Charakterisierung und Vermessung von GaN-Halbleitern, 3-Entwicklung einer Treiberstufe für GaN-Transistoren, 4-Erarbeitung der Anforderungen an induktive Bauelemente in der Luftfahrt, 5-Vermessung und Bewertung des Demonstrators

Kosten- und gewichtseffiziente PV- und Batterie-Wechselrichter großer Leistung für internationale Märkte der Zukunft durch Gallium-Nitrid (GaN) Halbleiter

Das Projekt "Kosten- und gewichtseffiziente PV- und Batterie-Wechselrichter großer Leistung für internationale Märkte der Zukunft durch Gallium-Nitrid (GaN) Halbleiter" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik durchgeführt. Ziel des Verbundforschungsvorhabens GaN-HighPower ist es, die nächste Generation kostengünstiger, ressourcenschonender und effizienter Stromrichter für Photovoltaikanwendungen zu erforschen, wobei der Fokus auf Stringwechselrichtern mit größerer Leistung. Hierfür sollen Galliumnitrid (GaN) Halbleitermodule zusammen mit anwendungsorientiert stark verbesserten induktiven Bauelementen erforscht und erprobt werden. Bisher ist die Anwendung der GaN Technologie auf deutlich kleinere Leistungsbereiche beschränkt. Im Rahmen des Projekts soll der höhere Leistungsbereich durch anwendungsorientierte Forschung für die PV erschlossen werden. Leistungshalbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) bieten einen hohen Wirkungsgrad bei hohen Spannungen und hohen Schaltfrequenzen auf einem Niveau, das über den Fähigkeiten von Silizium-IGBT- und Siliziumkarbid-MOSFET (SiC) Leistungsschaltern liegt.

Enkrist: Energieeinsparung bei der Herstellung von besseren Karbid- und Nitrid-Halbleiterkristallen

Das Projekt "Enkrist: Energieeinsparung bei der Herstellung von besseren Karbid- und Nitrid-Halbleiterkristallen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Freiberger Compound Materials GmbH durchgeführt. Die Aufgabe der FCM besteht darin, die eingesetzte Energie bei der Herstellung von GaN-Substraten mittels HVPE um 5 kWh/cm2 zu reduzieren. Dazu soll die Ausbeute an Substratfläche je Energieeinsatz erhöht werden. Zuerst wird die Materialqualität mit dem bestehenden Züchtungsprozess so weit erhöht, dass rissfreie Kristalle mit einer Länge von mehr als 1 mm möglich werden. Hierfür wird vor allem die verwendete Abfolge an verschiedenen Prozessbedingungen verbessert werden. Es werden alternative Keimkonzepte erforscht, die ihrerseits mit einem geringeren Energieaufwand hergestellt werden können und gleichzeitig eine Ablösung des Kristalls vom Keim erlauben. Im Anschluss daran soll die hergestellte Kristalllänge erhöht werden, sodass mehrere Substrate aus einem Kristall geschnitten werden können. Hierfür muss ein tiefes Verständnis für die Entstehung und Minimierung von Verspannungen innerhalb des Kristalls entlang der gesamten Wertschöpfungskette erlangt werden. Die Länge soll von etwa 1 mm auf über 5 mm erhöht werden. Komplementär zu diesem Ansatz soll die Kristallfläche je Energieeinsatz vergrößert werden, indem mehrere Kristalle auf einmal hergestellt werden. Für diesen Ansatz muss ein tieferes Verständnis für eine Homogenisierung der Prozessbedingungen innerhalb der Reaktorkammer erlangt werden. Insbesondere die Gasführung wird hierfür, begleitet von umfangreichen computergestützten Modellierungen, verbessert werden. Als weiterer Ansatz sollen großflächige Keime mit einem Durchmesser von bis zu 100 mm verarbeitet werden. Hierfür müssen die zuvor gewonnenen Erkenntnisse zur Reduzierung von Verspannungen und zur Homogenisierung von Prozessbedingungen kombiniert werden.

Teilvorhaben: Simulation und Erforschung des PSD-Prozesses für InGaN-basierende LEDs

Das Projekt "Teilvorhaben: Simulation und Erforschung des PSD-Prozesses für InGaN-basierende LEDs" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von OSRAM Opto Semiconductors GmbH durchgeführt. Ziel des Teilvorhabens ist die Erforschung der Eignung des PSD (Pulsed-Sputter-Deposition)-Prozesses für die Produktion von GaN-basierenden optoelektronischen Bauelementen. Dazu trägt es auf folgende Weise bei: - Unterstützung der Prozessentwicklung und des Kammerdesigns durch Simulation - Bereitstellung von MOVPE-Teilstrukturen und Überwachsen von PSD-Teilstrukturen zu vollständigen LEDs - Charakterisierung von hybriden und reinen PSD Wafern - Prozessierung der Wafer zu LED-Bauelementen - Messung der elektrooptischen Parameter - Spezifikation einer PSD-Prototypanlage Durch die angestrebte Herstellung von hochwertigen LED-Strukturen mittels PSD kann der kosten- und investintensive MOVPE-Prozess durch die ressourcenschonendere PSD-Epitaxie ersetzt werden. In diesem Teilvorhaben soll durch Simulation des PSD-Prozesses ein grundlegendes Verständnis der physikalisch-chemischen Vorgänge in der Gasphase und auf der Waferoberfläche generiert und dadurch die Prozessentwicklung durch die universitären Projektpartner beschleunigt werden. Desweiteren werden den Projektpartnern GaN-Schichten zur Verfügung gestellt, um homoepitaktische Schichten mittels PSD darauf abzuscheiden. Nach der Optimierung von Einzelschichten werden sowohl LED-Teilstrukturen zum Überwachsen mit PSD bereitgestellt sowie mittels PSD hergestellte LED-Teilstrukturen durch Überwachsen mit MOVPE-Schichten zu LED-Strukturen vervollständigt. Diese Schichtstapel werden bei OSRAM OS auf Waferebene charakterisiert und durch Vergleich mit reinen MOVPE-Strukturen bewertet. Für eine fundierte Bewertung der Qualität von PSD-Schichten müssen hybride oder reine PSD-Strukturen zu Dünnfilm-LED-Bauteilen prozessiert und umfassend elektrooptisch charakterisiert werden. Abschließend soll zusammen mit Roth & Rau die Spezifikation für eine Demonstrator-PSD-Anlage stehen, die eine weitere Erforschung der Eignung des PSD Prozesses für eine Großvolumenproduktion ermöglichen soll.

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