Evaluation Boards für die GaN-Technologie

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ROHM Semiconductor GmbH

MEV Elektronik Service GmbH

Demoboard mit GaN-Halbleiter für PV-Wechselrichter

Die erste kommerzielle Anwendung von Hochspannungs-GaN-Bausteinen war ein von Yaskawa eingeführter PV-Wechselrichter. Dieses japanische Unternehmen hat eine lange Tradition hinsichtlich der Einführung neuer Technologien, beispielsweise als Marktführer beim Übergang von auf Bipolartransistoren basierenden Wechselrichtern zu IGBT-basierten Lösungen für Fahrzeugantriebssteuerungen.

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Die Einführung begann zunächst mit einem einfachen Wechselrichter-Demoboard (Bild 1) zur Demonstration der neuen, kompakteren Layouts, die beim Austausch von IGBT-basierten durch GaN-basierte Lösungen erforderlich sind. Der Schlüssel zu dieser Erkenntnis war nicht nur die höhere Schaltfrequenz von 50 kHz (im Vergleich zu den in IGBT-basierten Schaltungen verwendeten 15 kHz), sondern auch die äußerst hohe Anstiegsgeschwindigkeit (dv/dt) sowie die extrem niedrige Speicherladung der GaN-HEMT-Schalttransistoren, die extrem niedrige Schaltverluste ermöglichen.

Wide-Bandgap-Halbleiter

Der Weg zum Masseneinsatz in HF- und Mikrowellensystemen

Nachdem die Schaltungsentwickler diese Anforderungen erkannt hatten, bestand die Aufgabe beim Systementwurf darin, die Vorzüge der 600-V-GaN-HEMTs bestmöglich zu nutzen. Dies wurde durch die Kombination eines synchronen Boost-Schaltkreises mit einem hocheffizienten Brücken-Wechselrichter erreicht, die eine um 40% reduzierte Größe sowie eine Verringerung der Verluste um 40 % ermöglichte.

Das Evaluierungskit von Transphorm (TDPV1000E0C1) erlaubt Entwicklern die Bewertung der Leistungsvorteile der GaN-Leistungstransistoren in einphasigen Wechselrichteranwendungen wie beispielsweise für Photovoltaik oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen. In diesem Kit sind vier GaN-HEMTs als Vollbrücke konfiguriert, die bei einer Frequenz von 100 kHz oder höher schalten, um ein sinusförmiges AC-Ausgangssignal mit einer Amplitude von 100 bis zu 240 V aus einem 400-VDC-Bus zu erzeugen. Die Ausgangsleistung von 1000 W wird ohne forcierte Luftkühlung erreicht, wobei mit forcierter Luftkühlung über 1500 W möglich sind.

Das brückenlose Totem-Pole-Demoboard

Die Nachfrage nach Netzteilen mit höheren Wirkungsgraden für die Daten- und Telekommunikation hat das Interesse an brückenlosen Topologien angekurbelt. Obwohl diese hohe Wirkungsgrade aufweisen, besitzen viele auf dieser Art von Technologie basierende Schaltungsentwicklungen EMV-Probleme im Zusammenhang mit leitungsgeführten Emissionen. Ein weiterer potenzieller Nachteil dieser Topologie ist die hohe Anzahl an Bauelementen, die einen großen Teil der Fläche der Leiterplatte einnehmen. Allerdings bietet eine brückenlose Topologie wie die Totem-Pole-Schaltung sowohl den Vorteil eines hohen Wirkungsgrades als auch verbesserte EMV-Eigenschaften und eine niedrige Bauteilanzahl.

Dieser Ansatz sorgt schließlich dafür, den festen Anteil der Verluste von PFC-Dioden zu eliminieren, sodass die Verluste von Nulllast bis Volllast proportional zum Strom sind. Dies bedeutet, dass es zum ersten Mal möglich ist, am 50%-Lastpunkt einen Wirkungsgrad von 98% für den Gleichstromausgang zu erreichen.

Transphorms Demoboard für die Implementierung der brückenlosen Totem-Pole-Topologie (TDPS500E2A2) besteht aus zwei GaN-HEMTs und zwei Silizium-MOSFETs (Bild 2). Die Verwendung dieser Bauelemente als synchrone Gleichrichter als Ersatz für die Dioden in einer typischen brückenlosen Schaltung erhöht den Wirkungsgrad noch weiter und eliminiert den ansonsten an den Dioden auftretenden festen Spannungsabfall.

Wie in Bild 3 gezeigt, lässt sich das Prinzip der Totem-Pole-PFC-Technologie am besten erklären, indem man die brückenlose PFC-Schaltung in zwei Halbwellen unterteilt. Diese bestehen aus S1 und SD1 als brückenlose PFC-Schaltung für die erste Halbwelle sowie S2 und SD2 als entsprechende Schaltung für die zweite Halbwelle. Während der positiven Halbwelle des Wechselstroms ist SD2 leitend und verbindet die Wechselstromquelle mit der Masse der Ausgangsspannung. S2 ist der aktive Boost-Schalter, während S1 den Spulenstrom ableitet und die Spulenenergie zur Versorgung des Ausgangs entlädt. S1 ist ebenfalls leitend, um den freilaufenden Spulenstrom abzuleiten und somit die Leitungsverluste zu verringern.

Fraunhofer THM

Neues Anlagenkonzept für die Galliumnitrid-Herstellung

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