02/12/2016
Door Ad Spijkers
Het rendement van systemen met vermogenselektronica is niet alleen afhankelijk van het elektrisch rendement, maar bij mobiele systemen ook van het gewicht. Nieuwe materialen en componenten op basis van GaN dragen daaraan bij.
De nieuwe ontwikkeling is met name interessant voor de mobiele markt. Door vermindering van het gewicht van onderdelen en systemen, bijvoorbeeld in vliegtuigen, kan brandstof worden bespaard en de uitstoot van uitlaatgassen verminderd. Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) houden samen zich samen met partners bezig met de vraag hoe ze materialen en componenten voor systemen met vermogenselektronica efficiënter kunnen worden gemaakt.
DC/DC-omzetter
In het project GaN-resonant – Effiziente, hochkompakte Hochfrequenz-Leistungselektronik mit GaN-Transistoren vormen Sumida Components & Modules, Liebherr-Elektronik en Fraunhofer-ISE een consortium, waarvan de partners elkaar goed aanvullen op het gebied van inductieve modules, luchtvaartelektronica en vermogenselektronica.
Het concrete doel van het project was de ontwikkeling van een resonante DC/DC-omzetter met GaN-transistoren die met schakelfrequenties van duidelijk meer dan 1 MHz werken en een nominaal vermogen van 3 kW hebben. De omzetter werd speciaal ontwikkeld voor gebruik in de luchtvaart waar de combinatie van economische en ecologische uitdagingen een belangrijke rol speelt.
Compacte bouw, hoog rendement
Om de beoogde projectdoelen te bereiken, gingen de ontwikkelaars uit van moderne vermogenstransistoren uit galliumnitride en van inductieve componenten. De tot nu toe gangbare schakelfrequenties tot 350 kHz voor resonantie-omzetters konden worden verhoogd tot 2,5 MHz.
Door deze hoge frequentie kon een groot, door de passieve componenten bepaald deel van het gewicht en volume van de 3 kW DC/DC omzetters worden bespaard. Door de verkleining van de passieve componenten is voor de productie minder materiaal nodig (bijvoorbeeld koper of ferriet), waardoor wordt bespaard om schaarser wordende grondstoffen.
De elektrische eigenschappen van de toegepaste GaN-transistoren maken een hoog rendement mogelijk. De ontwikkelde omzetter beschikt over een vermogens/gewichts-verhouding van zo'n 3,9 kW/kg en een totaal rendement van meer dan 90% over een groot werkgebied. De omzetter behaalt een maximaal rendement van 94,5% bij de halve nominale belasting en een schakelfrequentie van 2 MHz.
Toepassing van deze hoge frequentie vereist echter de nodige aandacht bij het ontwerp van de printplaat, de meet- en regeltechniek en de elektromagnetische compatibiliteit. Rekening houdend met deze aspecten werd een demonstratiemodel gebouwd met een printplaat van acht lagen, met veel aandacht voor optimalisatie van de aansturing van de GaN transistoren.
Toepassing
De resultaten zijn afgestemd op de luchtvaartindustrie maar kunnen in de toekomst ook in andere toepassingen van pas komen. Een mogelijk toepassingsgebied is de energievoorziening van rekencentra en van communicatie-elektronica in het algemeen. Belangrijk is hier dat de opbouw van de nieuwe compacte en snel schakelende DC/DC-omzetter materiaal bespaart en het vermogensverlies beperkt, waardoor niet alleen het rendement wordt verhoogd maar ook minder koeling nodig is. (foto: Fraunhofer-ISE)