Power-Tipp GaN-Anwendungen im mittleren Spannungsbereich

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Der Verbindungshalbleiter Galliumnitrid (GaN) gewinnt inzwischen auch im mittleren Spannungsbereich von 80 bis 200 V zunehmend an Popularität. Dies soll an vier Anwendungen verdeutlicht werden.

Die rapide technische Weiterentwicklung und die vermehrte Nutzung erneuerbarer Energie machen es notwendig, elektronische Schaltungen in ihrem Wirkungsgrad zu steigern und gleichzeitig für immer größere Leistungen zu dimensionieren. Hier kann Galliumnitrid (GaN) seine Stärken ausspielen, denn dieser Halbleiter ermöglicht sowohl eine hohe Leistungsdichte als auch eine hohe Effizienz.

Dank der mit GaN möglichen höheren Schaltfrequenzen können passive Bauelemente wie Spulen und Kondensatoren kleiner dimensioniert werden. Die deutlich geringeren Schalt- und Leitungsverluste von GaN senken das Verlustniveau insgesamt um mehr als die Hälfte. Nachdem sich GaN bei Spannungen über 600 V bereits etabliert hat, gewinnt der Verbindungshalbleiter inzwischen auch im mittleren Spannungsbereich von 80 bis 200 V stetig an Popularität. Dies soll hier an vier Anwendungsbereichen verdeutlicht werden.

Photovoltaik

Die Solarenergie als wachstumsstärkste erneuerbare Energieform dürfte in den nächsten sieben bis acht Jahren eine durchschnittliche jährliche Zuwachsrate von rund 11,5 % verzeichnen. Für den Einsatz von GaN-Halbleitern kommen hier unter anderem Power Optimizer in Betracht, die eine Kombination aus Abwärts- und Aufwärtswandler enthalten und wechselnde Gleichspannungen in eine einheitliche Gleichspannung für den String-Wechselrichter verwandeln (Bild 1).

Server-Stromversorgungen

Da wir gerade erst am Anfang der KI-Revolution stehen, ist davon auszugehen, dass der Bedarf an Servern für die Verarbeitung komplexer Machine-Learning-Algorithmen und die Speicherung der ständig wachsenden Datenmengen exponentiell zunehmen wird. In Server-Stromversorgungen kommen hauptsächlich drei Systeme für den Einsatz von GaN-Bauelementen für 100 bis 200 V in Frage:

Power Supply Units (PSUs) – Für die immer beliebter werdenden 48-V-Systeme werden Halbleiter mit Nennspannungen von 80 bis 100 V benötigt, die aber gegenüber früheren Lösungen deutlich höhere Verluste aufweisen. GaN-Bauelemente wie der LMG3100 können helfen, die Verluste im Synchrongleichrichter auf der Sekundärseite der LLC-Stufe zu minimieren.

Intermediate Bus Converters (IBCs) – Diese Systeme wandeln die von den PSUs ausgegebene Zwischenspannung von 48 V in die vom Server letztlich benötigte niedrigere Spannung um und sorgen damit für eine Senkung der I²R-Verluste. Da mit den IBCs allerdings eine zusätzliche Umwandlungsstufe in das Leistungswandlungssystem einzieht, müssen sie möglichst effizient sein.

Battery Backup Units – Eine Kombination aus Tief- und Hochsetzsteller dient auch hier dazu, aus der 48-V-Batteriespannung eine gleich hohe Sammelschienenspannung zu erzeugen. In unterbrechungsfreien Stromversorgungen vermeidet eine solche Stufe die zusätzlichen Verluste einer DC-AC-DC-Wandlerstufe.

Telekommunikationssysteme

Stromversorgungen für Mobilfunk-Außenanlagen lassen sich ebenfalls mit GaN-Bauelementen bestücken, zumal 5G und das künftige 6G nach immer höheren Übertragungsraten und immer schnellerer Datenverarbeitung verlangen, was eine hohe Leistungsdichte und sehr geringe Verluste voraussetzt. Der LMG2100 kann dazu beitragen, die Leistungsdichte solcher Designs um über 40 % zu steigern.

Antriebstechnik

Das Spektrum der GaN-Technik reicht von der Robotik über Elektrowerkzeuge bis zu Zweirad-Traktionsumrichtern. Hier wirkt es sich positiv aus, dass durch das Fehlen der Body-Diode geringere Totzeit-Verluste entstehen und der Wirkungsgrad höher ist. Die höheren Schaltfrequenzen verringern überdies die Stromwelligkeit, sodass kleinere passive Bauelemente verwendet werden können. Wie sich GaN-Bauelemente in Antrieben nutzen lassen, verdeutlicht Bild 2.

Weitere Anwendungen, die von GaN-Bauelementen mit einer Nennspannung von 100 bis 200 V profitieren, sind Gleichspannungswandler, Klasse-D-Audioverstärker sowie Prüf- und Formierungssysteme für Batterien. (kr)

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* Nach Unterlagen von Texas Instruments

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