Hocheffiziente, isolierte Multi-MHz GaN-basierte DC/DC-Wandler mit aktivem Diodengleichrichter

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ingmar Kallfass; Professor Dr.-Ing. Martin März
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546275218

Galliumnitrid (GaN)-basierte Wandler, die bei Schaltfrequenzen im Hochfrequenzbereich (RF) zwischen 3 und 30 MHz arbeiten, versprechen deutlich höhere Leistungsdichten, kürzere Einschwingzeiten und ermöglichen die Erschließung neuer Anwendungsfelder, beispielsweise in der Bereich der kapazitiven Energieübertragung. Dieses Projekt adressiert die beiden zentralen Hürden auf dem Weg zu solch hohen Schaltfrequenzen, das Fehlen geeigneter Lösungen für hochintegrierte induktive Bauelemente in diesem Frequenzbereich und das Fehlen hocheffizienter Lösungen für die sekundärseitige Gleichrichtung. Das Projekt zielt darauf ab, die umfassende Optimierung von GaN-basierten Multi-MHz, isolierten DC-DC-Wandlern mit monolithisch integrierten, aktiven Diodengleichrichterschaltungen auf der Sekundärseite zu untersuchen. Durch eine umfassende mathematische Analyse der Wandlerstufe in Kombination mit einem optimierten magnetischen Design wird eine bereichsübergreifende Optimierung des gesamten Wandlers im thermischen und elektrischen Bereich angestrebt. Die gezielte Entwurfsmethodik ist vollständig skalierbar und parametrierbar, um sie auf andere Anwendungen und Technologien zu übertragen. Durch eine monolithische Integration einer GaN-Aktivdiode soll eine selbstgesteuerte Gleichrichterstufe für MHz-Frequenzen hinsichtlich Effizienz, Leistungsdichte, Skalierbarkeit und Übertragbarkeit auf andere Anwendungen untersucht werden. Die Forschungshypothese ist, dass durch eine umfassende Analyse des gesamten GaN-basierten Wandlers einschließlich des magnetischen und thermischen Designs und der Ableitung der Anforderungen auf Transistorebene für eine monolithische GaN-basierte integrierte aktive Diode eine erheblich verbesserte Effizienz-Leistungsdichte Gütezahl erreicht wird.

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