High Electron Mobility Transistor – der HEMT
Nicht nur für Hochfrequenz
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Demo-Boards für Entwickler
Der Photovoltaik-Wechselrichter in Bild 5 stellt ein typisches Einsatzgebiet von GaN-Halbleitern dar: Hier sind sowohl der höhere Wirkungsgrad als auch das kleinere Volumen von Vorteil. Das japanische Unternehmen Yaskawa entwickelte dazu mit den Transphorm-GaN-HEMTs eine Lösung, die mit 50 kHz Taktfrequenz und einer Reduzierung von Größe und Verlusten um 40 % punktete. Das Demo-Board TD-PV1000E0C1 von Transphorm ermöglicht Entwicklern das Evaluieren einer derartigen Lösung in Photovoltaik-Wechselrichtern oder USV-Anlagen. Es enthält vier als Vollbrücke konfigurierte GaN-HEMTs, die mit 100 kHz oder noch schneller schalten können, um aus 400 V Gleichspannung 100 bis 240 V Wechselspannung zu erzeugen. 1000 W Ausgangsleistung sind mit Konvektionskühlung erreichbar, mit Lüftung auch 1500 W.
Nicht nur für Hochfrequenz - Bilder 5 - 8
Ebenfalls interessant ist das Demo-Board TDPS250E2D2. Hier wurde eine Stromversorgung mit Universal-Wechselstromeingang (100 bis 240 V AC ohne Umschalten) für einen typischen „All-in-One“-Computer mit 250 W, also eine eher preisgünstige Konsum-Anwendung, von Standard-Silizium-Halbleitern auf GaN umdesignt. Es nutzt drei GaN-HEMTs in der PFC-Schaltung und den resonanten Brückenkreisen. In letzteren ermöglicht die niedrige Ausgangskapazität der GaN-HEMTs eine schnellere Umladung und damit 200 kHz Taktfrequenz bei verringerten Verlusten. Tatsächlich verringerten sich die Größe um 45 % (Bild 6) und die Verluste um 30 %, was einen Wirkungsgrad von über 95 % ermöglichte: Das Netzteil kann 12 V Ausgangsspannung bei bis zu 20 A liefern, wobei am 230-V-Netz ein Wirkungsgrad bis zu 95,4 % erreicht wird.
Ein brückenloses Totem-Pole-Netzteil mit PFC ist Gegenstand des Demo-Board TDPS500E2A2 in Bild 7, das zwei GaN-HEMTs und zwei Silizium-MOSFETs als Synchrongleichrichter nutzt (Bild 8). Diese Art von Schaltungen bietet hohe Wirkungsgrade bei geringerer Bauelementeanzahl und EMV-Problematik als andere Lösungen. So gibt es hier keine festen PFC-Verluste, sondern nur zum entnommenen Strom proportionale Verluste. Infolgedessen ist bei 50 % Last ein Wirkungsgrad von 98 % für den Gleichstromausgang möglich.
Die Entwicklung der GaN-Halbleiter schreitet schnell fort: SiC (Siliziumkarbid) in HF-Verstärkern wurde in gerade drei Jahren durch GaN abgelöst. GaN in Leistungshalbleitern gilt noch als eingeschränkt gegenüber der Silizium-Technologie, doch nach den 600-V-Baureihen wird Transphorm nun auch 1200-V-Varianten auf den Markt bringen, die damit ein Pendant zur gängigsten IGBT-Sperrspannungsklasse darstellen. Ebenfalls interessant sind geplante Vier-Quadranten-HEMT-Schalter, die bislang übliche, weit komplexere Konstruktionen ersetzen können. Die etwas höheren Preise für GaN-Halbleiter schrecken zwar noch manchen Entwickler von deren Anwendung ab, Marktforscher gehen jedoch davon aus, dass ein 15-A-GaN-HEMT zwischen 2016 und 2019 preislich mit seinem Silizium-Pendant gleichziehen kann.ag
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Wolf-Dieter Roth |
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studierte Nachrichtentechnik an der FH München und ist seit vielen Jahren als Fachjournalist, Buchautor und Ingenieur in der Industrie und in Fachverlagen tätig. Er ist technischer Redakteur bei Hy-Line Power Components. |
Der Autor
- Nicht nur für Hochfrequenz
- Leistungshalbleiter müssen selbstsperrend sein
- Demo-Boards für Entwickler
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