Effiziente und hochfrequente Leistungselektronik

Der Einsatz von innovativen Technologien wie z.B. neuen Transistoren auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) eröffnet viele Möglichkeiten in der Leistungselektronik. Sie haben einen direkten Einfluss auf Taktfrequenz und Effizienz des Systems, begrenzen dessen Leistungsdichte und thermisches Design  und wirken sich auf Dimensionierung der passiven Bauelemente und Gesamtsystemkosten aus. Durch extrem geringe Schaltverluste bei gleichzeitig niedrigen Durchlassverlusten der Bauelemente können Schaltungen mit sehr hohen Taktfrequenzen und sehr hohem Wirkungsgrad realisiert werden. Durch diese hohen Schaltfrequenzen kann der Aufwand für die passive Bauelemente, insbesondere die Baugröße von Drosselspulen, deutlich reduziert werden.

Im Vergleich zu Lösungen mit Silicium-(Si)-Bauelementen werden durch die hohen Taktfrequenzen und die kleineren passiven Bauelemente neue Konzepte und moderne Aufbautechniken ermöglicht. Dadurch können deutlich kompaktere und auf Systemebene kostengünstigere Konzepte für kommende Generationen leistungselektronischer Umrichter realisiert werden. Mit SiC-Transistoren können die Taktfrequenzen gegenüber Si-Transistoren um den Faktor drei bis fünf gesteigert werden. Mit GaN-Halbleitern können Leistungswandler mit noch höheren Taktfrequenzen bis in den MHz-Bereich realisiert werden.

Gerade im Bereich der erneuerbaren Energien bringt der Einsatz von Transistoren mit großer Bandlücke wesentliche Vorteile hinsichtlich Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Gesamtsystemkosten. Diese können jedoch auch in viele andere Anwendungsfelder wie z.B.  industrielle Applikationen, Automotive, Bahn-, Luft- und Raumfahrt übertragen und transferiert werden, bei denen hocheffiziente und kompakte Leistungselektronik benötigt wird.

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Effiziente und hochfrequente Leistungselektronik« umfassen:

Ausgewählte Forschungsprojekte

 

GaN-resonant

Effiziente, hochkompakte Hochfrequenz-Leistungselektronik mit GaN-Transistoren

Entwicklung innovativer Lösungen für die nächste Leistungselektronik-Generation

© Fraunhofer ISE
HV-IGBT mit Gate-Treiber und optischer Leistungsübertragung.

Der Einsatz von neuen Technologien in der Leistungselektronik bildet einen der großen Schwerpunkte unserer Arbeit. Dabei versuchen wir stets die Grenzen des technisch machbaren auszuloten. Die ganzheitliche Betrachtung auf Systemebene ist dabei unsere Kompetenz. Wir beziehen uns dabei auf die gesamte Bandbreite der Komponenten in einem leistungselektronischen System – vom Einsatz neuester Halbleiter sowie der Aufbau- und Verbindungstechnik, über den Einsatz neuester Platinenfertigungsverfahren (Dick-Cu, Flex, etc.) hin zu modernen Aufbauten von induktiven Bauelementen (Planartechnik, Wickeltechniken, etc.). Die daraus entstehenden Herausforderungen zu meistern, ist Inhalt vieler Forschungsprojekte, die bei uns bearbeitet werden.

Durch unsere engen Kontakte zu Herstellern von Halbleitern, Platinen, induktiven Bauteilen etc. sind wir auf allen Gebieten der Leistungselektronikentwicklung stets auf dem neuesten Stand der Technik.

Statische und dynamische Charakterisierung neuer SiC- und GaN-Halbleiter

Tests im Spannungsbereich von 100 V - 20 kV

© Fraunhofer ISE
Prototyp eines lateralen GaN-Transistors.

Neue Transistoren auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) eröffnen viele Möglichkeiten in der Leistungselektronik. Durch extrem geringe Schaltverluste bei gleichzeitig niedrigen Durchlassverlusten der Bauelemente können Schaltungen mit sehr hohen Schaltfrequenzen und gleichzeitig sehr hohem Wirkungsgrad realisiert werden. Durch die hohen Schaltfrequenzen kann der Aufwand für passive Bauelemente, insbesondere die Baugröße von Drosselspulen, deutlich reduziert werden.

Im Vergleich zu Lösungen mit Silizium-(Si)-Bauelementen werden durch die hohen Schaltfrequenzen und die kleineren induktiven Bauelemente deutlich kompaktere und auf Systemebene kosten-günstigere Lösungen möglich. Mit SiC-Transistoren können die Schaltfrequenzen gegenüber Si-Transistoren um den Faktor drei bis fünf gesteigert werden. Mit GaN-Halbleitern können noch höhere Schaltfrequenzen realisiert werden. Sie eignen sich für den Aufbau von Leistungswandlern kleinerer Leistung mit Schaltfrequenzen im MHz-Bereich.

Unsere FuE-Leistungen umfassen:

  • Hardwareentwicklung von tranformatorlosen Schaltungen
  • Entwicklung resonanter Schaltungen mit galvanischer Trennung

Entwicklung hocheffizienter, kompakter Leistungselektronik mit hohem Integrationsgrad

Umrichter mit Wide Bandgap-Bauelementen

© Fraunhofer ISE
Modulwechselrichter mit SiC-Transistoren.

Gerade im Bereich der eneuerbaren Energien bringt der Einsatz von Wide Bandgap-Transistoren große Vorteile hinsichtlich Leistungsdichte und Wirkungsgrad. Diese lassen sich auch auf andere Bereiche übertragen. Wir entwickeln kompakte, hocheffiziente und integrierte Leistungselektronik für erneuerbare Energien, industrielle Anwendungen, Bahn-, Luft- und Raumfahrt auf Basis von Wide Bandgap-Bauelementen.

Alle Schritte von der Konzeptphase, der Auslegung, der thermischen und elektrischen Simulation, dem Aufbau bis hin zu Tests werden am Fraunhofer ISE von Spezialisten durchgeführt. Dabei liegt unser Fokus auf einer systemischen Betrachtung, um die Vorteile der Bauelemente maximal ausnutzen zu können. Die von uns in unseren Laboren erarbeiteten und auf wissenschaftlichen Konferenzen veröffentlichten Resultate sind sowohl akademisch als auch seitens unserer Industriepartner anerkannt.

Untersuchung von Topologien und neuen Konzepten

© Fraunhofer ISE
Simulation und Auswertung einer Topologieuntersuchung.

Zur bestmöglichen Auslegung einer leistungselektronischen Schaltung gehört die Wahl der für die spezifische Anwendung optimalen Topologie. Mit Hilfe modernster Software, wie PLECS®, PSpice® oder FloTHERM®, kann hierfür schon ein großer Teil der Arbeit erledigt werden, bevor die erste Hardwarekomponente bereitstehen muss.

Die Kriterien, die an eine Topologie gestellt werden, sind meist sehr vielseitig und es gilt hinsichtlich geeigneter technischer und ökonomischer Gesichtspunkte (Wirkungsgrad, Leistungsdichte, Bauteilkosten etc.) abzuwägen. Welche Gewichtung sinnvoll ist, hängt von der Anwendung ab.

Die Mitarbeiter des Fraunhofer ISE haben Erfahrung in der detaillierten Untersuchung existierender Topologien, wie auch in der Simulation und dem Nachweis der Funktionstüchtigkeit neuartiger Topologien. Unser Spektrum umfasst dabei alle Arten der Strom- / Spannungswandlung: DC/DC, DC/AC, AC/DC und AC/AC.

Entwicklung von Regelungstechnik für µC, DSP und FPGA

© Fraunhofer ISE
Simulationsmodell einer Regelung.

Jeder leistungselektronische Wandler benötigt ein speziell angepasstes Regelungssystem. Daher besitzen wir neben der Expertise in der Entwicklung von Hardware auch aktuellstes Fachwissen im Bereich der Regelungstechnik. Wir entwickeln fortgeschrittene, analoge oder digitale Regelkreise für Wechselrichter und Umrichter mit hoher Taktfrequenz. Die Programmierung von DSPs und FPGAs auf Basis komplexer Algorithmen und die Simulation mit MATLAB® / Simulink® und PLECS® gehört dabei zu unserer täglichen Arbeit.

Neben der gesamten Entwicklung der Regelung für eine komplett neue Hardware, können wir unsere Kunden auch bei der Optimierung bereits bestehender Systeme unterstützen. Das Spektrum reicht dabei von der Übergabe eines einfachen angepassten Regelungsmodells auf Basis einer Simulation bis hin zur vollständigen Implementierung in C-Code im Microcontroller.