Leistungsbewertung von weich- und hartgeschalteten Wechselrichtern auf der Grundlage monolithisch integrierter bidirektionaler GaN-Bauelemente

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marco Liserre, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462668222

GaN-HEMTs mit einer monolithisch bidirektionalen Schalterintegration (MBS) bieten symmetrische Durchlass- und Sperrspannungsfähigkeiten bei reduziertem Durchlasswiderstand und parasitärer Kapazität im Vergleich zu ihren diskret aufgebauten Gegenstücken. Dieses 4-Pin Bauelement basiert auf einem lateralen p-GaN-Chipdesign mit einem Common-Drain und ermöglicht 4-Quadrantenbetrieb. Es bietet eine vielversprechende Alternative zu den konventionellen bidirektionalen Halbleitern Lösungen, die auf mindestens 2 diskreten WBGs basieren, wodurch sich eine höhere Gesamtleistungsdichte und Effizienz erreichen lässt. Die hauptsächliche Anwendung von bidirektionalem GaN ist in Vienna- und Swiss-Gleichrichtern, Matrix- und Stromquellen-Wandlern und Wechselrichtern in T-Konfiguration. Wie in der ersten Projektphase demonstriert, ist auch der Einsatz in neuen Anwendungen wie steuerbaren Resonanzkreisen in Resonanzwandlern und Trennschaltern in modularen DC/DC-Wandlern möglich. Der Fokus der zweiten Projektphase liegt daher auf der vollständigen Untersuchung der Möglichkeiten eines solchen MBS GaN-HEMTs in weich und hart geschalteten Wechselrichteranwendungen im Vergleich zu nicht monolithisch integrierten bidirektionalen GaN-Bauelementen bezüglich der Gate-Treiber Voraussetzungen, dem thermischen Management und der Kurzschlussfestigkeit. Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Wechselrichtertopologien, die speziell für MBS GaN-Bauelemente entwickelt wurden. Das Demonstrationsziel dieses Projekts ist es, eine deutliche Verbesserung der bestehenden Topologien durch den Einsatz von MBS GaN-HEMTs und einen analytischen Fall-zu-Fall-Vergleich mit ihren diskret basierten Gegenstücken zu zeigen. Das Projekt umfasst drei Ziele mit insgesamt sechs Arbeitspaketen und ist für ein dreijähriges Forschungsprogramm ausgelegt. Im ersten Jahr werden eine Charakterisierung auf Ebene der Bauelemente durchgeführt und eine formale Methodik für den Entwurf von Gate-Treibern für hart und weich geschaltete Wechselrichter entwickelt. Die Verwendung von MBS GaN-HEMTs in der Inverterstufe von resonanten Gleichspannungswandlern, im Resonanzkreis mit variabler Frequenz mit dem Konzept des elektronisch eingebetteten Transformators und die Anwendung des Bauelements in zwei- oder mehrstufigen weich geschalteten ARCP-basierten Invertern werden als zweites Ziel untersucht. Das dritte Ziel dieses Projekts ist der Einsatz von MBS GaN-HEMTs in neuen Multilevel-Konvertern, um die Verluste gleichmäßig zu verteilen und einen besseren Wirkungsgrad zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2312: Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"