Extrem kurze Schaltvorgänge in Anwendungen hoher Leistung GaN-Leistungselektronik mit bis zu 20 MHz hart schalten

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Neue Technologien erlauben laut Anbieter QPT erstmals den Betrieb von GaN-Leistungshalbleitern bei bis zu 20 MHz in hart schaltenden Hochleistungsanwendungen, ohne Überhitzung oder RF-Probleme.

In Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Spannung, die harte Schaltvorgänge erfordern (z.B. Motorantriebssysteme für HVAC, Robotik usw.), gelten für Leistungshalbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) gegenwärtig etwa 100 kHz als maximal mögliche Schaltfrequenz. Nun hat das britische Unternehmen QPT Technologien vorgestellt, mit denen GaN-Bausteine diese Grenzen deutlich hinter sich lassen und mit bis zu 20 MHz arbeiten können.

Laut Angaben von QPT erschließt die neu vorgestellte Technologie erstmals dieses wichtige Segment des GaN-Marktes, für das es derzeit keine anderen Lösungen gebe. Denn obwohl GaN-Transistoren mit 1 bis 2 ns sehr schnell schalten können, verglichen mit den Schaltzeiten von Transistoren auf Silizium- und Siziliziumkarbid-Basis (SiC) im Bereich von 20 ns bis 50 ns, gebe es bei solchen Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen bisher eine praktische Grenze von 100 kHz für GaN, jenseits derer Problematiken wie Überhitzung und HF-Störungen zu groß werden.

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GaN bisher mit angezogener Handbremse betrieben

Die derzeitige Lösung bestehe darin, GaN auf unter 100 kHz zu drosseln, was bedeute, dass die Leistung ähnlich wie bei SiC sei und der Einsatz von GaN in diesen Anwendungen keine Vorteile habe, da das Material eben nicht bei den hohen Schaltgeschwindigkeiten bzw. Frequenzen läuft, bei denen es tatsächlich Energieeinsparungen bringt.

Rob Gwynne, Gründer und CEO von QPT, erklärt: „Ingenieure der Energietechnik sind Fachleute auf ihrem Gebiet und haben Fähigkeiten und Designansätze entwickelt, die bei Schaltvorgängen von 10 bis 100 kHz funktionieren, wo Si- und SiC-Transistoren arbeiten. Ich konnte das Problem aus meiner Perspektive als HF-Ingenieur angehen und eine Lösung entwickeln, mit der GaN-Transistoren ihr volles Potenzial von bis zu 20 MHz mit Schaltvorgängen im Nanosekundenbereich ausschöpfen können.“

Damit erreichen GaN-Bauteile laut Gwynne jetzt während des Betriebs eine höhere Präzision ohne HF-Störungsprobleme oder Überhitzung und erzielen somit zum ersten Mal die versprochenen Wirkungsgrade. Das Unternehmen schätzt den Gesamtmarkt für Hochspannungs- und Hochleistungsanwendungen auf 365 Milliarden US-Dollar, mit Klimatechnik als Schlüsselsegment, und hier insbesondere Wärmepumpen, die weltweit in exponentiellem Maße eingesetzt werden.

Modularer Ansatz für schnelle Entwicklungen

QPT hat die neuen Technologien in zwei Module integriert, so dass sie von Kunden mit minimalem Aufwand und Änderungen an bestehenden Designs leicht implementiert werden können. Das qGaN-Modul enthält einen 650-V-GaN-Transistor zusammen mit dem qDrive-Gatetreiber des Unternehmens, der laut Angaben von QPT der weltweit schnellste, genaueste und höchstauflösende sowie besonders jitterarme Gatetreiber für isolierte GaN-Transistoren ist. Das zweite Modul, qSensor, kombiniert die Technologien ZEST und qSense des Unternehmens und sorgt so für die nötige Sensorik und Steuerung, um GaN bei sehr hohen Frequenzen zu betreiben.

Mit seinem WisperGaN-Konstruktionssystem bietet QPT darüber hinaus ein Referenzdesign dafür an, wie sich die Module und die Zusatzelektronik zusammen so in einem Faradayschen Käfig montieren lassen, dass es keine Erwärmungs- oder HF-Probleme gibt. Alle drei Lösungen zusammen ermöglichen laut Angaben von QPT den Betrieb von GaN bei sehr hohen Frequenzen und reduzieren den Stromverbrauch um bis zu 80% im Vergleich zu bestehenden Lösungen, die bei viel niedrigeren Frequenzen arbeiten müssen.

Drop-in-Ersatz für Antriebs-Leistungsstufen

Das erste qGaN-Modul (Q650V15A-M01) ist für die Ansteuerung von 380-V-Drehstrommotoren mit 15 A Effektivstrom ausgelegt. Die Roadmap sieht weitere qGaN-Module für Lasten verschiedener Leistung vor, um den Anforderungen unterschiedlicher Anwendungsbereiche gerecht zu werden. Zusammen mit den anderen QPT-Technologiemodulen können schlüsselfertige Lösungen entsprechend dem Referenzdesign einfach zusammengestellt werden. Das Referenzdesign ist ein Drop-in-Ersatz für die Leistungsstufe bestehender Antriebe mit variabler Frequenz (Variable Frequency Drives, VFDs), ohne dass spezielles Fachwissen über EMV oder thermische Kühlung erforderlich ist.

„Der Rest des bestehenden Systems wie der Mikroprozessor und der Software-Stack bleiben unverändert“, erklärt Gwynne, „das macht die Aufrüstung zu einer echten Plug-and-Play-Lösung mit dem Vorteil, dass sie weniger Strom benötigt und sich somit innerhalb weniger Wochen amortisiert. Darüber hinaus ergeben sich weitere Einsparungen, da keine externen Filter erforderlich sind.“ Unternehmen, die ihre aktuellen Siliziumlösungen aufrüsten möchten, um energieeffizienter zu werden, könnten sich die mühsame Entwicklung einer SiC-Lösung im eigenen Haus sparen und QPTs GaN-Lösung verwenden.

Wenig Drehzahl, geringer Wirkungsgrad

Laut Gwynne sind Elektromotoren für 45% des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich. Für frequenzvariable Antriebe mit solchen Motoren gäben Hersteller derzeit Wirkungsgrade von 97% an, dieser Wert beziehe sich jedoch auf die volle Geschwindigkeit, während in einem realen Betriebszyklus die Geschwindigkeit variiere und der Wirkungsgrad mit abnehmender Geschwindigkeit erheblich sinke.

Die Hersteller ignorierten dies stillschweigend – vergleichbar sei dies mit Autoherstellern, die nur den Kraftstoffverbrauch bei optimaler Geschwindigkeit angäben und die realen Zahlen des Stadtverkehrs nicht erwähnten. Die neue Technologie seines Unternehmens könne diese Motoren effizienter machen, was zu geringeren Kohlendioxidemissionen führe und somit zur Bekämpfung des Klimawandels beitrage. (cg)

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