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Analogtipp Antriebselektronik auf GaN-Basis für effizientere Hausgeräte

Von Kristin Rinortner 2 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Texas Instruments EMEA Sales GmbH
FAULHABER Antriebssysteme
ET System electronic GmbH
Heitec AG

Der Hausgerätemarkt wird stark durch die Forderung nach Energieeffizienz und hoher Zuverlässigkeit geprägt. Bürstenlose Gleichstrommotoren und die GaN-Technologie können in dieser Hinsicht maßgebliche Verbesserungen bringen.

GaN-Lösung: Größe einer Leiterplatte mit einem GaN-IPM im Vergleich zu einer herkömmlichen IGBT-Lösung.(Bild: TI)
GaN-Lösung: Größe einer Leiterplatte mit einem GaN-IPM im Vergleich zu einer herkömmlichen IGBT-Lösung.
(Bild: TI)

In Kühlgeräte-Kompressoren und Lüftungsgebläsen, die zu den größten Stromverbrauchern in heutigen Haushalten gehören, muss die aufgewendete elektrische Energie möglichst effizient in mechanische Bewegung umgesetzt werden. Abgesehen von der Optimierung der mechanischen Konstruktion muss auch die Ansteuerelektronik so gestaltet werden, dass die Motorkommutierung und die Energieumwandlung möglichst effizient erfolgen.

Texas Instruments implementiert seine GaN-Technologie mit drei Metallisierungsschichten „e-mode“ in einen neuen, für spezielle Anforderungen vorgesehenen Motortreiber. Der für 650 V ausgelegte Baustein DRV7308 enthält nicht nur fast alle Funktionen die zum Ansteuern eines dreiphasigen BLDC-Motors benötigt werden, sondern erlaubt dank seines kompakten Gehäuses auch die Implementierung von Systemen mit geringem Platzbedarf. Beträgt die Leistung weniger als 250 W, ist unter Umständen nicht einmal ein Kühlkörper erforderlich.

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Verluste halbieren durch GaN-Halbleiter

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines Antriebssystems mit diesem GaN-IPM (Integrated Power Module). Zu den entscheidenden Kostenfaktoren eines Systems wie in Bild 1 dargestellt, gehören die Leiterplatte, der Kühlkörper, die passiven Bauelemente und der Motor. Die IPMs auf GaN-Basis ermöglichen jedoch nicht nur Kostensenkungen bei diesen Komponenten, sondern senken auch die Energiekosten.

Beim Design einer Motorumrichter-Stufe für einen Kompressor mit einer Leistung von 250 W kann der Entwickler derzeit zwischen MOSFET- und IGBT-IPMs oder einer diskreten Implementierung wählen. Der maximale Wirkungsgrad der Schaltung beträgt 86 oder 97 % und die Verlustleistungen liegen zwischen 6 und 7,5 W. Das erfordert Kühlmaßnahmen, wie Kühlkörper, größere Leiterplatten zur besseren Entwärmung sowie teurere Motoren. Das GaN-IPM des Typs DRV7308 verringert trotz kleinerer Gehäuseabmessungen die Verluste um 50 % oder mehr, was der Motorumrichter-Stufe einen Wirkungsgrad von über 99 % beschert (Bild 2).

Die mit dem DRV7308 mögliche Halbierung der Verluste ist auf die materialbedingten Vorteile von Galliumnitrid zurückzuführen: keine Sperrverzögerungs-Verluste, geringe Ausgangskapazität, kein Tailstrom, höhere Anstiegsrate und ein niedriger RDS(on)-Wert von 205 mΩ.

Das Gehäuse des DRV7308 misst 12 mm x 12 mm und ist damit im Vergleich zu anderen 250-W-IPMs um 55 % kleiner. Die technologischen Vorteile der GaN-IPMs und ihr kleineres Gehäuse erlauben unter dem Strich eine Verringerung der Leiterplattenfläche um über 65 %. Der SEER-Wert (Seasonal Energy-Efficient Ratio) von 14 (2023) für HLK-Systeme (Heizung/Lüftung/Klima) erfordert einen Wirkungsgrad von 85 %, was einer Verbesserung um 5 Prozentpunkte entspricht. Die mit dem DRV7308 mögliche Effizienz von über 99 % übertrifft die Wirkungsgradvorgabe von 85 % somit deutlich, ohne dass höhere Motorkosten entstehen.

(Nach Unterlagen von Texas Instruments)

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