Soft-Switching von Stromzwischenkreisumrichtern mit Bidirektionalen GaN Halbleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Marcelo Lobo Heldwein
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546288721

Ein herkömmlicher dreiphasiger AC/DC-Stromzwischenkreiswandler (CSC) benötigt sechs Leistungshalbleiter mit bidirektionaler Spannungssperrfähigkeit. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, werden gewöhnlich zwei diskrete unidirektional sperrende Leistungshalbleiter gegeneinander verschalten. Nachteilig bei dieser Methode sind jedoch erhöhte Kosten und Leitungsverluste und die Komplexität der Gate-Treiber. Aus diesem Grund werden diese Systeme im Vergleich zu Systemen mit Spannungszwischenkreis als wenig vorteilhaft angesehen. Durch Fortschritte in der Leistungshalbleiterindustrie konnten monolithische bidirektionale GaN-Feldeffekttransistor-Prototypen (e-FET) entwickelt werden. Diese Bauelemente verfügen über die Fähigkeit zur bidirektionalen Spannungssperre, können den Stromfluss in beide Richtungen steuern und haben den gleichen Einschaltwiderstand wie ein einzelnes unidirektionales Bauelement. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sie sich gut für die Anwendung in Stromzwischenkreiswandlern und verschieben das Gleichgewicht zwischen mehrstufigen Spannungszwischenkreisumrichter-Topologien und einstufigen Stromzwischenkreisumrichter-Topologien zugunsten der letzteren. Generell können die geringeren Verluste, die durch WBG-Bauelemente, insbesondere GaN, ermöglicht werden, einstufige Topologien aufgrund der geringeren Komplexität und des kleineren Volumens attraktiver machen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Bewertung von zuvor vorgeschlagenen Wandlern und den Vorschlag neuer hocheffizienter, hochkompakter einstufiger Topologien. Daher sind bidirektionale GaN-Leistungsbauelemente in diesem Zusammenhang sehr attraktiv. Allerdings scheint selbst bei GaN-Leistungsbauelementen eine drastische Erhöhung der Schaltfrequenz bei gleichzeitiger Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrads nur möglich zu sein, wenn sanfte Schalttechniken eingesetzt werden. Diese Arbeit schlägt vor, Soft-Switching-Techniken für CSCs auf der Basis von bidirektionalen GaN-Bauelementen zu verwenden. Die zentrale Hypothese, die untersucht wird, ist, dass Soft-Switched Current Source Converters auf der Basis von bidirektionalen GaN-Leistungsschaltern eine höhere Effizienz und Leistungsdichte in dreiphasigen AC-DC-Anwendungen ermöglichen können. In diesem Projektvorschlag wird versucht, die folgenden Forschungsfragen zu beantworten: - Wie werden bidirektionale GaN-Soft-Switching-Bauelemente in CSCs richtig eingesetzt? - Welche Auswirkungen hat das Soft-Switching in bidirektionalen GaN-Bauelementen? - Welche Topologien und Modulationsschemata bieten das größte Potenzial für hohe Effizienz und hohe Leistungsdichte, wenn sie von bidirektionalen GaN-Schaltern profitieren? - Welche Auswirkungen hat die Verwendung von GaN-Bauelementen in weich schaltenden CSCs auf das Design von EMV-Filtern? Die Antworten auf diese Fragen könnten ein neues Kapitel in der Geschichte der Stromquellenwandler aufschlagen, was dieses Projekt sehr motiviert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2312: Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"
• Mitverantwortlich: Dr. Gean Jacques Maia de Sousa