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Hochkompakter, schnellschaltender DC/DC-Wandler

18. November 2016, 10:41 Uhr | Hagen Lang

Das Fraunhofer ISE hat einen resonanten DC/DC-Wandler (Demonstrator) mit 2,5 MHz für die Luftfahrtanwendung entwickelt. Neuartige Materialien (GaN) ermöglichen die hohen Schaltfrequenzen.

Speziell für die Luftfahrt hat das Fraunhofer ISE Institut mit Verbundpartnern einen hochkompakten, schnell taktenden DC/DC-Wandler mit GaN-Transistoren entwickelt, der eine Nennleistung von 3kW aufweist und mit Schaltfrequenzen von deutlich über 1 MHz betrieben wird.

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Im Projekt »GaN-resonant – Effiziente, hochkompakte Hochfrequenz-Leistungselektronik mit GaN-Transistoren« haben die Verbundpartner SUMIDA Components & Modules GmbH, Liebherr-Elektronik GmbH und Fraunhofer ISE Leistungsstransistoren aus Galliumnitrid (GaN) und innovative induktive Bauelemente eingesetzt und die bisher für Resonanzwandler üblichen Schaltfrequenzen von bis zu 350 kHz auf 2,5 MHz angehoben.

»Durch diese vergleichsweise hohen Frequenzen konnte ein großer, durch die passiven Bauelemente bedingter Teil des Gewichts und des Volumens des 3 kW DC/DC Wandlers eingespart werden«, so Cornelius Armbruster, Entwicklungsingenieur im Team »Effiziente und hochfrequente Leistungselektronik« am Fraunhofer ISE.

Trotz hoher Schaltfrequenzen bieten die GaN-Transistoren einen hohen Wirkungsgrad, allerdings muss das Platinendesign angepasst werden. Der Demonstrator wurde mit einer flachen achtlagigen Platine realisiert und speziell für die Ansteuerung der GaN-transistoren optimiert. »Der entwickelte Wandler verfügt über ein Leistungsgewicht von etwa 3,9 kW/kg und für einen weiten Arbeitsbereich über einen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 90 %. Einen vergleichsweise hohen Maximalwirkungsgrad von 94,5 % erreicht der Wandler bei der halben Nennlast und einer Schaltfrequenz von 2 MHz«, so Armbruster.

Das Fraunhofer ISE forscht und entwickelt seit Jahren die Anwendung neuartiger Bauelemente aus Galliumnitrid und Siliziumkarbid. Die Ergebnisse des Projektes »GaN-resonant« lassen sich auf Anwendungsfälle in der Kommunikationselektronik im Allgemeinen oder speziell die Energieversorgung von Rechenzentren übertragen.