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Vitesco Technologies setzt auf GaN

Passiv gekühlte DC/DC-Wandler mit CoolGaN-Transistoren

9. August 2024, 11:47 Uhr | Irina Hübner

650-V-CoolGaN-Transistor von Infineon.

Für seinen Gen5+-GaN-Air-DC/DC-Wandler setzt Vitesco Technologies auf die 650-V-CoolGaN-Transistoren von Infineon, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Außerdem war es dadurch möglich, die DC/DC-Wandler mit passiver Kühlung zu entwickeln.

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DC/DC-Wandler sind in Elektro- und Hybridfahrzeugen notwendig, um die Hochspannungsbatterie mit den Niederspannungs-Hilfsstromkreisen zu verbinden. Dazu zählen 12-V-Scheinwerfer, Innenbeleuchtung, Wischer- und Fenstermotoren, Lüfter sowie Pumpen, Lenkantriebe, Beleuchtungssysteme, elektrische Heizungen und Klimakompressoren mit 48 V.

Darüber hinaus ist der DC/DC-Wandler wichtig für die Entwicklung erschwinglicherer und energieeffizienterer Fahrzeuge, bei denen die Zahl der Niederspannungsfunktionen zunimmt. Insbesondere Galliumnitrid spielt dabei eine entscheidende Rolle, da das Halbleitermaterial zur Verbesserung der Leistungsdichte in DC/DC-Wandlern und On-Board-Ladegeräten (OBC) eingesetzt werden kann.

Vor diesem Hintergrund hat sich Vitesco Technologies für GaN-Technik entschieden, um die Leistungseffizienz seines Gen5+-GaN-Air-DC/DC-Wandlers zu verbessern. Mit den 650-V-CoolGaN-Transistoren von Infineon lässt sich die Gesamtleistung des Systems deutlich verbessern, während gleichzeitig die Systemkosten verringert und die Benutzerfreundlichkeit erhöht werden.

Auf Basis der 650-V-CoolGaN-Transistoren von Infineon hat Vitesco eine neue Generation an DC/DC-Wandlern entwickelt, die einen Wirkungsgrad von mehr als 96 Prozent erzielen. Die Schaltfrequenz konnte von 100 kHz auf über 250 kHz erhöht werden, was niedrige Schaltverluste bei nur geringen thermischen Verlusten ermöglicht – auch in hart geschalteten Halbbrücken.

Daneben zeichnen sich die CoolGaN-Transistoren von Infineon durch hohe Ein- und Ausschaltgeschwindigkeiten aus, außerdem werden sie in einem oberflächengekühlten TOLT-Gehäuse geliefert. Sie sind luftgekühlt, was eine Flüssigkeitskühlung überflüssig macht und damit die Gesamtsystemkosten senkt. Die 650-V-Bauteile verbessern die Leistungseffizienz und -dichte. Ihr Einschaltwiderstand (R DS(on)) liegt bei 50 mΩ, die transiente Drain-zu-Source-Spannung bei 850 V, der I DS,max bei 30 A und der I DSmax,pulse bei 60 A.

»Der ultimative Wert von GaN zeigt sich, wenn es zu einem Paradigmenwechsel kommt – so wie in diesem Beispiel des Wechsels von einem flüssigkeitsgekühlten System zu einem luftgekühlten System«, kommentiert Johannes Schoiswohl, Senior Vice President & General Manager, GaN Systems Business Line Head bei Infineon.

Der Gen5+-GaN-Air-DC/DC-Wandler von Vitesco Technologies

Durch den Einsatz von GaN-Transistoren war Vitesco Technologies in der Lage, seine Gen5+-GaN-Air-DC/DC-Wandler mit passiver Kühlung zu entwickeln, wodurch die Gesamtkosten des Systems reduziert werden konnten. Die GaN-Bauteile ermöglichen zudem ein einfacheres Wandler-Design sowie eine einfachere mechanische Integration. Dadurch lassen sich die DC/DC-Wandler flexibel im Fahrzeug positionieren, was den Arbeitsaufwand für die Hersteller reduziert.

Die Verwendung von GaN erlaubt es außerdem, die Leistung der Wandler auf bis zu 3,6 kW zu skalieren und die Leistungsdichte auf über 4,2 kW/l zu erhöhen. Die Gen5+-GaN-Air-DC/DC-Wandler verfügen über einen zweiphasigen Ausgang von 248 A bei 14,5 V Dauerleistung. Die Phasen können kombiniert werden, um die maximale Ausgangsleistung zu erreichen. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine Phase unter Teillastbedingungen abzuschalten und die Schaltfrequenz zwischen den beiden Phasen zu verschränken.

Darüber hinaus können die auf den 650-V-CoolGaN-Leistungstransistoren basierenden Wandler durch Serienschaltung der Eingänge zweier Phasen für 800-V-Architekturen verwendet werden, ohne die maximale Sperrspannung des Bauteils zu überschreiten. Die Wandler verfügen zudem über eine isolierte Halbbrückentopologie, die aus einer GaN-basierten Halbbrücke, einem vollständig isolierten Transformator und einer aktiven Gleichrichtereinheit für jede Phase besteht.