GaN-resonant – Effiziente, hochkompakte Hochfrequenz-Leistungselektronik mit GaN-Transistoren

Laufzeit: Juli 2013 - September 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)  
Kooperationspartner: SUMIDA Components & Modules GmbH, Obernzell; Liebherr Elektronik GmbH, Lindau
Projektfokus:
© Fraunhofer ISE

Technologiedemonstrator eines resonanten DC/DC-Wandlers mit 2,5 MHz für Luftfahrtanwendungen.

© Fraunhofer ISE

Wirkungsgradverlauf des Demonstrators über den Ausgangsleistungsbereich (U_aus = 28 V_DC, f_sw = 1,8 - 2,5 MHz). Die maximale Effizienz liegt bei 94,5 %.

Effizienz ist nicht alleine mit dem elektrischen Wirkungsgrad leistungselektronischer Systeme verknüpft. Sie kann im Fall von mobilen Systemen auch durch Gewichtsreduktion verbessert werden. Durch Gewichtseinsparungen ist weniger Treibstoff erforderlich. So kann z. B. das Gesamtsystem Flugzeug an Effizienz gewinnen und der besonders in großer Höhe schädliche Ausstoß von Abgasen kann reduziert werden. So werden sowohl direkte ökonomische Einsparungen erreicht als auch ökologisch schädliche Einflüsse reduziert. Hochmoderne Leistungshalbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) ermöglichen es, leistungselektronische Schaltungen mit wesentlich höheren Schaltfrequenzen zu betreiben. Dadurch kann die Leistungsdichte gesteigert und die Materialkosten auf Systemebene reduziert werden.

Das Forschungsprojekt »GaN-resonant« setzt auf die Nutzung hochmoderner Leistungstransistoren aus Galliumnitrid und innovativer induktiver Bauelemente für die Entwicklung eines speziell für den Einsatz in der Luftfahrt konzipierten DC/DC-Resonanzwandlers. Dadurch kann die Schaltfrequenz gesteigert und sowohl Gewicht und Volumen als auch die Produktionskosten von Gleichspannungswandlern gesenkt werden. Die bisher üblichen Schaltfrequenzen von bis zu 350 kHz für Resonanzwandler konnten auf 2,5 MHz angehoben werden. Durch diese vergleichsweise hohen Frequenzen kann ein großer, durch die passiven Bauelemente bedingter Teil des Gewichts und des Volumens des 3‑kW‑DC‑DC‑Wandlers eingespart werden. Daher sind hochfrequente leistungselektronische Systeme bestens für Anwendungen geeignet, in denen es auf höchste Leistungsdichten und ein geringes Eigengewicht ankommt. Durch die Verkleinerung der passiven Bauelemente wird zudem für deren Herstellung weniger Material wie Kupfer oder Ferrit gebraucht und knapper werdende Ressourcen können geschont werden. Die elektrischen Eigenschaften der eingesetzten GaN‑Transistoren bieten trotz einer hohen Schaltfrequenz einen hohen Wirkungsgrad. Der vorgestellte Wandler verfügt über eine Leistungsdichte von etwa 3,9 kW/Liter. Der Gesamtwirkungsgrad des Wandlers beträgt für einen breiten Arbeitsbereich über 90%. Einen vergleichsweise hohen Maximalwirkungsgrad von 94,5% erreicht der Wandler bei der halben Nennlast und bei einer Schaltfrequenz von 2 MHz. Bei derart hohen Frequenzen muss allerdings auch das Design der Platine, die Messtechnik bzw. Regelungstechnik sowie die elektromagnetische Verträglichkeit besonders beachtet werden.

Der resonante DC/DC-Wandler wurde speziell an die Anforderungskriterien der Luftfahrtelektronik ausgelegt. Die im Projekt erzielten Ergebnisse lassen sich jedoch auch auf weitere Anwendungen übertragen, wie z.B. Energieversorgungen in Rechenzentren, Automobilen, usw.