Galliumnitrid
Die Zukunft netzgeführter Umrichter hat begonnen
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Die Praxistauglichkeit von GaN: Designbeispiele
Designbeispiel
Im Jahr 2018 demonstrierten Siemens und Texas Instruments gemeinsam die erste Cloud-fähige 10-kW-Netzanbindung in GaN-Technik, und Texas Instruments stellte kürzlich seine eigene konvektionsgekühlte 5-kW-Plattform vor (Bild 2).
TI demonstrierte, dass GaN-basierte Multilevel-Umrichter nicht nur traditionelle IGBTs, sondern auch SiC-FETs in Sachen Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Lösungskosten schlagen können. Die herausragenden Schalteigenschaften von GaN erlauben Designern das Anheben der Schaltfrequenz bei gleichzeitiger Minimierung der im System entstehenden Gesamtverluste. Tabelle 1 vergleicht die drei Leistungs-Technologien.
Typische Betriebsbedingungen | SiC | TI GaN | |
Schaltfrequenz (kHz) | 20 | 100 | 140 |
Open-Frame-Leistungsdichte (W/Kubikzoll) | 73 | 170 | 211 |
Wirkungsgrad (%) | 98,3 | 98,9 | 99,2 |
Tabelle 1. Vergleich der Leistungsbausteine in netzgeführten Umrichtern
Ist GaN praxistauglich?
GaN bietet Designern nicht nur die Möglichkeit, ein höheres Maß an Wirkungsgrad und Leistungsdichte zu erreichen, sondern zeichnet sich verglichen mit alternativen, auf SiC basierenden Topologien auch durch die niedrigsten Lösungskosten aus. Wegen der höheren Schaltfrequenz und der kleineren Spannungssprünge erlaubt GaN in netzgeführten Umrichtern eine Verkleinerung der induktiven Bauelemente um 80 %, verbunden mit entsprechenden Kostensenkungen.
Wenn die Eignung der GaN-Technik für netzgeführte Anwendungen beurteilt werden soll, müssen neben den Kosteneinsparungen auf der System-Ebene noch weitere Faktoren einbezogen werden, wie zum Beispiel diese:
· Kurze Markteinführungszeit: Um die Design- und Layout-Herausforderungen von Hochfrequenz-Schaltungen zu überwinden, hat TI einen Gatetreiber und schnelle Schutzschaltungen zusammen mit dem GaN-FET in einem gemeinsamen, induktivitätsarmen Gehäuse integriert, sodass Entwickler das Prototyping und die Qualifikation mit minimalem Redesign-Aufwand beschleunigen können.
· Lebenslange Zuverlässigkeit: GaN-FETs von TI haben in Tests eine Zuverlässigkeit von mehr als 30 Millionen Stunden erreicht und mehr als 3 GWh an Energie umgewandelt, was einem FIT-Wert (Failures in Time) von weniger als 1 über eine Lebensdauer von 10 Jahren entspricht. Darüber hinaus sind diese Bauelemente für extreme Schaltbedingungen wie zum Beispiel Stromstöße und Überspannungen ausgelegt.
· Produktion: GaN-Bauelemente wie der LMG3410R050 werden mit herkömmlichen Silizium-Substraten und standardmäßigem Tooling hergestellt. Außerdem unterstützt TI die Produktion mit seinen bestehenden, durchsatzstarken Packaging- und Test-Einrichtungen. Zusammen mit der schnellen Abschreibung der Investitionen sorgt dies dafür, dass die Bauelemente kostengünstiger sind als SiC-FETs und schon bald auch das Preisniveau von Silizium-Halbleiterbausteinen unterbieten werden.
Beim Design netzgeführter Umrichter stand den Designern in der Vergangenheit nur eine begrenzte Auswahl an Bauelementen und Topologien zur Auswahl. Dank der allgemeinen Marktverfügbarkeit von GaN-Bauelementen zu sehr wettbewerbsfähigen Preisen gibt es mittlerweile jedoch neue, gangbare Optionen. GaN-basierte Umrichter ermöglichen die Realisierung von Lösungen mit einer Leistungsdichte, die um 300 % höher ist als bei IGBTs und auch die Leistungsdichte von SiC-Lösungen um 125 % übertrifft.
Hinter den GaN-Bauelementen von TI stehen außerdem Zuverlässigkeitsprüfungen über mehr als 30 Millionen Stunden sowie mehr als 3 GWh an umgewandelter Energie, sodass Designer GaN-Bauelemente selbst in netzgeführten Anwendungen mit besonders rauen und anspruchsvollen Einsatzbedingungen vertrauensvoll einsetzen können.
- Die Zukunft netzgeführter Umrichter hat begonnen
- Weshalb sind netzgeführte Umrichter so wichtig?
- Die Praxistauglichkeit von GaN: Designbeispiele