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Projekt
Selbstheilende Multi-Winding-DC/DC-Konverter mit GaN-basierten monolithisch integrierten bidirektionalen Bauelementen
Fachliche Zuordnung
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462668222
GaN-basierte Transistoren haben eine neue Ära in der Leistungselektronik eröffnet und ermöglichen nicht nur die Energieumwandlung mit höherer Effizienz, sondern könnten auch als Isolations-/Rekonfigurations-Schalter und variable passive Komponenten eine entscheidende Rolle spielen. Diese Komponenten würden Fehlertoleranz und Selbstheilung in modularen Power-Converter-Systemen erlauben. Die Fähigkeit, eine fehlerhafte Zelle zu ersetzen oder sogar zu rekonfigurieren, so dass ein stabiler Weiterbetrieb möglich ist, wird besonders wichtig, da Sicherheitsanforderungen steigen und Umweltvorschriften reparierbare Systeme verlangen. Für diese neuartigen Schaltungsarchitekturen und Topologien werden in diesem Projekt monolithisch integrierte bidirektionale GaN-Schalter (GaN-MBS) entwickelt. Multi-Winding-DC/DC-Konverter ermöglichen die Verbindung verschiedener Energiesysteme und das Management mehrerer DC-Busse und weisen somit eine inhärente Fehlertoleranz und Selbstheilungskapazität auf. Da alle Zellen mit demselben Kern verbunden sind, kann eine fehlerhafte Zelle isoliert und der Strom über die gesunden Zellen umgeleitet werden. Leider konnte diese theoretische Fehlertoleranz mangels geeigneter Halbleiterbauelemente bislang kaum realisiert werden, auch auf Grund der Nachteile eines resultierenden unsymmetrischen Betriebs. In diesem Projekt soll ein speziell entwickelter GaN-MBS eingesetzt werden, um Fehlerisolierung und Rekonfiguration von Zellen zu demonstrieren und variable passive Komponenten zur Anpassung an veränderte Konfigurationen zu realisieren. Speziell für diese Anwendungen wird ein GaN-MBS von Compound Semiconductor Technology (CST) der RWTH Aachen University entwickelt. Dieser MBS wird vom Chair of Power Electronics (CPE) der Universität Kiel (CAU) als Isolations-/ Rekonfigurations-Schalter sowie in variablen Resonant-Tanks implementiert. Das Erste ist wichtig für die Fehlertoleranz, das Zweite für die Korrektur des unsymmetrischen Betriebs und die durchgängige Gewährleistung des Soft-Switching-Betriebs in Topologie-varianten Stromrichtern. Zusammenfassend erwarten wir, hohe Leistungsdichte, Kompaktheit, Effizienz und Systemzuverlässigkeit demonstrieren zu können.CST wird seine langjährige Erfahrung im Wachstum komplexer GaN-basierter Heterostrukturen und in der Prozessentwicklung nutzen, um anwendungsspezifische MBS herzustellen. Anfang liegt der Fokus auf planarer Geometrie und monolithischer Integration, danach wird die vertikale Integration erforscht, welche effizientere Strom- und Spannungsskalierung erlaubt. Um die Möglichkeiten der GaN-Technologie voll auszuschöpfen, wird CPE seine umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung von GaN-Leistungswandlern mit seinem fundierten Wissen auf dem Gebiet der SiC-basierten Multi-Winding-DC/DC-Converter kombinieren. Für optimale Ergebnisse wird CPE einen methodischen Ansatz mit Root-Cause- (RCA) und Fault-Tree-Analyse (FTA) sowie dem Extended-N-Extra-Element-Theorem (ENE²T) verfolgen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Teilprojekt zu
SPP 2312:
Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"
