Für effiziente Spannungswandler Monolithisch integrierte 600-V-GaN-Halbbrücke

So sieht die monolithisch integrierte Halbbrückenschaltung des Fraunhofer IAF aus.
So sieht die monolithisch integrierte Halbbrückenschaltung des Fraunhofer IAF aus.

Halbbrückenschaltungen sind Schlüsselbausteine vieler Spannungswandler-Typen. Eine neu entwickelte, monolithisch integrierte GaN-Halbbrücke könnte effizientere, kompaktere und zuverlässigere netzgebundene Leistungselektronik-Anwendungen als bisher ermöglichen.

Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF wurde eine 600-V-Halbbrückenschaltung entwickelt, bei der alle elektronischen Komponenten monolithisch auf einem Chip integriert sind. Durch die monolithische Integration ist die Halbbrückenschaltung sehr kompakt und verfügt im Vergleich zu aus mehreren Bestandteilen bestehenden Halbbrückenschaltungen über wesentlich bessere elektronische Eigenschaften.

Mit der neuen Schaltung lassen sich Spannungswandler realisieren, die mit 3 MHz eine etwa zehnmal so hohe Schaltfrequenz erreichen als herkömmliche Spannungswandler. Dadurch ist eine viel höhere Leistungsdichte erzielbar. Außerdem reduziert sich der Aufwand für die Aufbautechnik.

Insbesondere in der Elektromobilität ist eine hohe Leistungsdichte gewünscht, denn dort muss eine große Anzahl möglichst effizienter Wandler auf wenig Platz verbaut werden. Neben E-Autos adressieren die Halbbrücken auch alle anderen 600-V-Leistungselektronik-Anwendungen.

Aufbau der Schaltung

Die Halbbrücken-Schaltung des Fraunhofer IAF besteht aus zwei GaN-HEMTs und zwei integrierten Freilaufdioden. Die HEMTs weisen eine Sperrspannung von über 600 V und einen Durchlasswiderstand von 120 mΩ auf. Ein gefaltetes Chip-Layout gestattet die enge Anbindung einer DC-Link-Kapazität zwischen Versorgungsspannung und Masse. Dieser Aufbau erlaubt einen optimierten Leistungspfad sowie ein sauberes, schwingungsfreies Schalten bei hohen Frequenzen. Der Betrieb des Schaltkreises wurde bereits in einem Abwärtswandler von 400 auf 200 V bei einer Schaltfrequenz von 3 MHz demonstriert.

Auch komplexere Schaltungen wie ein monolithisch integrierter Multilevel-Inverter wurden am Fraunhofer IAF bereits auf der GaN-auf Si-Technologie realisiert. In dieser Topologie finden zehn GaN-Leistungsschalter auf einem Chip der Fläche 2 mm x 3 mm Platz. Jeder der Leistungsschalter sperrt 400 V im geschlossenen Zustand und hat einen Widerstand von 350 mΩ im Durchlassbetrieb.

Verglichen mit herkömmlichen Wandlern generieren Multilevel-Inverter kleinere Störpegel bei der DC/AC-Wandlung. Dadurch können Entstör- und Ausgangs-Filter kleiner ausgelegt werden, was den Spannungswandler kompakter und leichter macht. Die Funktion des Wandlers wurde im Inverter-Betrieb bei der amerikanischen Netzspannung von 120 V demonstriert.

Seine monolithisch integrierte Halbbrückenschaltung präsentiert das Fraunhofer IAF auf der PCIM Europe in Halle 7, Stand 237.