Hochfrequent schaltende Leistungskonverter basierend auf AlN-Leistungstransistoren

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Sibylle Dieckerhoff; Dr. Oliver Hilt; Dr.-Ing. Andreas Wentzel
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462718666

Galliumnitrid basierte laterale Transistoren ermöglichen geringe Schaltverluste und hohe Schaltgeschwindigkeiten in Leistungskonvertern bis 600 V. Die intrinsischen Grenzen dieses Materials können jedoch nach wie vor nicht erreicht werden, da die erreichbare Sperrspannung, Stromdichte und Geschwindigkeit durch Beschränkungen auf Material- und Systemebene limitiert werden. Ziel dieses Projektes ist es, diese Beschränkungen zu überwinden und effiziente Konverter mit sehr hohen Schaltfrequenzen – MHz bei 400 V für kW Leistung und GHz bei 40 V – zu demonstrieren. Dieses Projekt ist ein Folgeprojekt. In der ersten Projektperiode wurde die Immunität gegen Backgating, und somit Eignung zur monolithischen Integration auch bei höheren Spannungen, der AlN-auf-SiC Epitaxie demonstriert. Des Weiteren wurden Sensor- und Steuerkonzepte, wie ein Drain-Bias-Sensor und aktive Totzeitsteuerung entwickelt und implementiert. Diese erlauben es die Zeit der, bei GaN-HEMTs besonders verlustreichen, intrinsischen Rückwärtsleitung zu minimieren und somit, besonders bei hohen Frequenzen, die Effizienz zu steigern. Außerdem wurden monolithisch integrierte Treiber entwickelt, mit denen ein 50 W Konverter-IC mit 200 MHz Schaltfrequenz realisiert wurde. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird die AlN-auf-SiC Epitaxie, welche derzeit starke Dispersionseffekte zeigt, weiter optimiert werden. Die Sensor- und Steuerkonzepte sowie die Treiber, werden weiterentwickelt, mit besonderem Augenmerk auf die Geschwindigkeit dieser Komponenten. Hierfür wird eine Kombination aus monolithischer und hybrider Integration verwendet, sodass parasitäre Induktivitäten und Laufzeiten minimiert werden können. Diese Weiterentwicklungen werden dann in einem isolierten 4 kW DC-DC-Wandler bestehend aus LLC Konverter und synchronem Gleichrichter, einem 48 V, 200 MHz PoL-Wandler und einem 1 GHz Buck-Wandler demonstriert.

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