GaN-Leistungselektronik für bidirektionales, einphasiges DC-Laden von Elektrofahrzeugen

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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