GaN-HEMT Treiber mit varianter Steuerung und Rückkopplungs-Techniken (GaNdalf)

• Antragsteller: Professor Dr. Anton Grabmaier; Professor Dr.-Ing. Martin Pfost
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462842206

Leistungstransistoren sind Schlüsselkomponenten der modernen Elektromobilität und bei der Nutzbarmachung erneuerbarer Energien. Mit ihnen werden u. a. Spannungen und Ströme transformiert und Antriebsmotoren und Generatoren gesteuert. Neben den schon seit längerem etablierten Silizium-basierten IGBTs und der SiC-Technologie existiert mit den in Verbindungshalbleiter-Technologie aufgebauten GaN-HEMT jetzt ein noch effektiverer und schneller schaltender Leistungstransistor-Typ, mit dem Schaltungsverluste und damit der Wirkungsgrad von Schaltanwendungen noch einmal substantiell verbessert werden können. Um jedoch das volle Potential dieser GaN-HEMTs nutzen zu können, ist die Art und Effektivität ihrer Ansteuerung entscheidend, die über sogenannte Gate-Treiber erfolgt. Im Projektvorschlag GaNdalf werden, als Ergänzung und Erweiterung der im Vorgängerprojekt AGaNDrive entwickelten Konzepte und CMOS-integrierten Lösungen für adaptive Gate-Treiber-Schaltungen für GaN-HEMT, alternativ besonders schnelle, Stromquellen-gestützte Treiber entwickelt, die je nach Lastsituation spezifische Vorteile bieten. Ziel ist dabei besonders schnelles und sicheres Schalten bei minimalen Einschwing-Effekten (dem sogenannten „ringing“) bzw. Überschwingen zu gewährleisten und dabei kompakte Schaltbaugruppen zu ermöglichen, die ohne eine Vielzahl großer zusätzlicher passiver Bauelemente (z. B. Kondensatoren) zur Einhaltung der Grenzwerte bei der elektromagnetischen Verträglichkeit auskommen und dabei trotzdem den GaN-HEMT für eine lange Lebensdauer schonend betreiben. Arbeitspunkt- und Lastbedingungen des GaN-HEMTs können sich je nach Anwendung über einen sehr weiten Bereich ändern. In GaNdalf sollen daher die Gate-Treiber-Konzepte aus dem Vorgängerprojekt (AGaNDrive) mit Impedanz-gestufter, spannungsgesteuerter Ansteuerung sowie mit induktiver Mitkopplung durch die im Projekt neu entwickelte Stromquellen-basierte Ansteuerung erweitert und zusammen auf einem CMOS-Chip als Hybrid-Treiber integriert werden. Die so gewonnene Flexibilität ermöglicht erstmals eine Erzeugung bestmöglich angepasster Gate-Signale. Mittels einer übergeordneten Ansteuer-Logik soll basierend auf den Rückkopplungs-Informationen über Strom-Spitzenwerte und -Anstiegszeiten auf die Lastsituation des GaN-HEMTs geschlossen und automatisch das hierfür bestgeeignete Gate-Treiber-Schaltungsprinzip gewählt werden. Zur detaillierten Charakterisierung und experimentellen Evaluierung wird ein Aufbau zur Systemintegration der erarbeiteten Konzepte (Demonstrator) erstellt. Als Beispielanwendungen dienen ein typischer DC/DC-Konverter mit Synchrongleichrichtung und ein Antriebsumrichter für einen 400V-Elektromotor.

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