Nutzung von GaN-Bauelementen für Antriebsinverter und Antriebsinverter für GaN-Bauelemente (DriveForGaN)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Lindemann; Professorin Dr.-Ing. Regine Mallwitz
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546226259

Der Projektvorschlag verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz, um gehäuste GaN-Leistungshalbleiter-Bauelemente in Antriebsumrichter-Systemen einzusetzen. Das Ziel besteht darin, zu zeigen, unter welchen Randbedingungen der Einsatz von GaN-Leistungshalbleitern in Antriebswechselrichtern möglich ist und welche Perspektiven er bietet. Elektrische Antriebe stellen eine Volumenapplikation dar, die jedoch bis jetzt nicht von GaN und dessen vorteilhaften Eigenschaften – wie niedrigen Verlusten, die zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades beitragen – profitieren konnte. Der Projektvorschlag fokussiert auf den Leistungsbereich von 10 bis 50kW, der für geregelte Antriebe in der Industrie, kleine bis mittlere Antriebe für Elektrofahrzeuge und für den zukünftig steigenden Anteil an Hochdrehzahlantrieben von besonderem Interesse ist. Die DC Zwischenkreisspannung solcher Antriebe liegt typischerweise in der Größenordnung von 600V. Um die hohen Ströme mit GaN abzubilden, muss parallelgeschaltet werden. Bisherige Parallelisierungsansätze mit GaN-Halbleitern führen jedoch nach wie vor zu einer Begrenzung der Steilheit der Schaltflanken. Das Projekt betrachtet einerseits die Aufbau- und Verbindungstechnik für parallelgeschaltete Halbleiter, insbesondere die Kontaktierung mittels dreidimensionaler Leiterstrukturen von mehrlagigen Leiterplatten. Andererseits wird die Parallelschaltung von Wechselrichterphasen, also Subsystemen, untersucht, die Vorteile in Bezug auf Volumen und EMV bei der Ausgestaltung der Maschinenschnittstelle (Filter) verspricht. Solange GaN HEMTs oder GITs nicht für höhere Sperrspannungen als 650V geeignet sind, erfordert die Zwischenkreisspannung von 600V eine Mehrpunkt-Topologie, in der mehrere niedriger sperrende Einzeltransistoren in geeigneter Weise in Serie geschaltet die Spannung aufnehmen. Die erwähnte Aufbautechnik mit mehrlagigen Leiterplatten wird auch in diesem Fall von Vorteil sein, um niederinduktive und symmetrische Kommutierungs- sowie Ansteuerkreise zu erreichen. Wichtige Forschungsfragen betreffen die Bewertung des Einflusses von GaN-Bauelementen auf das Systemverhalten, die Bewertung der erforderlichen Maßnahmen und Methoden für den Einsatz von GaN-Bauelementen in Antriebswechselrichtern, insbesondere im Hinblick auf Ansteuerung und Schutz der Bauelemente in den Wechselrichterzweigen, außerdem auf die Schaltung, Steuerung und Regelung des Leistungsteils und die Schnittstelle zur Maschine. Diese Themen stehen in enger Wechselwirkung zueinander und sollen mit einem ganzheitlichen Ansatz betrachtet werden, der theoretische und simulative Untersuchungen sowie deren experimentelle Validierung umfasst. Im Rahmen des Projektes soll an jeder der beiden beteiligten Universitäten einem Doktoranden bzw. einer Doktorandin die Möglichkeit zur Promotion gegeben werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2312: Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"