Hohe Schaltfrequenz in einem GaN-fähigen PV-Wechselrichter

 

Als System Innovator arbeitet Neways an verschiedenen Innovationsprojekten. Eines dieser Projekte ist das europäische GaNext-Projekt, bei dem wir zusammen mit unseren internationalen Partnern ein „Intelligent Power Module“ (IPM) bauen, um bestehende Hindernisse für die Einführung der Galliumnitrid (GaN) -Technologie für praktische Lösungen zu beseitigen. Unser Anteil besteht darin, einen äußerst kompakten Solarwechselrichter (PV-Wechselrichter) zu bauen, der sowohl die GaN-Technologie als auch das IPM enthält, um zur Miniaturisierung von Stromversorgungsanwendungen beizutragen.

Dafür verwenden wir einen zweistufigen Ansatz. Zuerst bauen wir einen PV-Wechselrichter mit GaN-Geräten und in der Folge bauen wir einen PV-Wechselrichter mit dem Intelligent Power Module.

Um die Größe zu reduzieren, müssen wir die Schaltfrequenz erhöhen. Daher haben wir Anforderungen definiert und mit der Implementierung unseres PV-Wechselrichters mit GaN-Geräten begonnen. Der Konsortialpartner Cambridge GaN Devices Ltd. (CGD) lieferte die 650-V-GaN-Komponenten, und der andere Konsortialpartner Sumida lieferte die Induktoren. Der Effekt der erhöhten Schaltfrequenz ist sofort erkennbar: Nur zwei Spulen von 33 cm3 können die schwankende Sonnenspannung gut in eine saubere Gleichspannungsschiene mit einer Nennleistung von 3 kW umwandeln. Ein weiterer Satz von zwei Spulen wird in der transformatorlosen Wechselrichterstufe verwendet. Diese kompakten Induktivitäten helfen uns, eines der wichtigsten Ziele dieses Projekts zu erreichen – eine Leistungsumwandlungsdichte von 1 kW/l.

Diese hohe Leistungsdichte ist nur aufgrund der hohen Schaltfrequenz möglich. Der PV-Wechselrichter ist für den Betrieb bei Schaltfrequenzen bis zu 500 kHz ausgelegt. Obwohl GaN aus technologischer Sicht zu viel höheren Schaltfrequenzen fähig ist, ist die Schaltfrequenz ein Kompromiss zwischen Spulenverlusten, Schaltverlusten, Spulenabmessungen und vielen weiteren Parametern.

Der erste diskrete GaNext-PV-Wechselrichter-Prototyp: Die vier Spulen sind deutlich sichtbar. Die 650-V-GaN-Geräte sind unter der großen Leistungsplatine versteckt und nahe am Kühlkörper montiert, um eine optimale thermische Verbindung mit dem passiven gekühlten Kühlkörper darunter zu gewährleisten.

Wir haben großen Aufwand betrieben, um mithilfe von Simulationen und Berechnungen die optimale Frequenz für diese Anwendung zu bestimmen. Die Vorteile einer erhöhten Frequenz sind ein reduzierter Energiespeicher und ein reduzierter Induktivitätswert, die die Größe direkt beeinflussen. Die relative Größenverringerung nimmt jedoch mit zunehmender Häufigkeit ab und die damit verbundenen Verluste nehmen zu, wie in Abbildung 1 (unten) zu sehen ist. Anhand dieser Parameter kann eine optimale Schaltfrequenz ermittelt werden.

Frequenzkompromiss 3KW-Aufwärtswandler

Wir werden die Funktionen dieser Anwendung weiter überprüfen und auch ihre Grenzen untersuchen.

 

Über das GaNext Projekt

Galliumnitrid ”GaN” ist ein vielversprechendes Material, um Silizium in Leistungselektronikanwendungen im 650-V-Markt zu ersetzen. Auf GaN basierende Stromversorgungssysteme können leichter, kompakter, wesentlich effizienter und möglicherweise billiger sein als auf Silizium basierende. Im Rahmen des GaNext-Projekts wollen wir Hindernisse für die Einführung von GaN beseitigen und die höhere Effizienz und Leistungsdichte von GaN-basierten Systemen in einer Reihe von Anwendungen demonstrieren. Das Herzstück des Projekts ist die Entwicklung eines intelligenten GaN-Leistungsmoduls, bei dem die Steuerung, Treiber und Schutzschaltungen zusammen mit den Leistungsgeräten verpackt sind.

 

GaNext Konsortiumpartner

United Kingdom
Cambridge GaN Devices Ltd., CSA Catapult, Lyra Electronics Ltd.

Niederlande
Besi Netherlands BV, Eindhoven University of Technology, Neways Technologies BV, Signify

Deutschland
advICo microelectronics GmbH, Maccon Elektroniksysteme GmbH, Infineon Technologies AG, SUMIDA Components & Modules GmbH, Technische Universität Dortmund, Fraunhofer IMS