Charakterisierung und Anwendung von GaN-HEMTs bei kryogenen Temperaturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marc Hiller
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546257378

Im vorliegenden Projekt soll die Eignung von GaN-HEMTs für Anwendungen untersucht werden, bei denen die Leistungshalbleiter weit unterhalb der üblichen Temperaturen betrieben werden. Charakteristisch für diese Anwendungen ist die Kombination aus Supraleitenden Technologien und einer Leistungselektronik, z. B. in einem Antriebssystem für das elektrische Fliegen, in supraleitenden Windgeneratoren oder einem System zur Energieübertragung und -verteilung. Bisherige Arbeiten haben gezeigt, dass GaN-HEMTs sich durch einen extrem niedrigen Durchlasswiderstand im Bereich kryogener Temperaturen auszeichnen. Zusätzlich sind auch reduzierte Schaltverluste nachgewiesen worden. Diese vorteilhaften Eigenschaften können genutzt werden, wenn man beispielsweise die Verdampfungswärme von flüssigem Stickstoff in Anwendungen mit Hochtemperatursupraleitern nutzt, um die Leistungshalbleiter zu kühlen. Dadurch kann man die Leistungshalbleiter in einem Temperaturbereich betreiben, der weit unter den üblichen Betriebstemperaturen liegt. Die Effizienz der Energieumwandlung kann dadurch wesentlich verbessert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn mit den GaN-HEMTs eín Solid State Transformer aufgebaut wird, bei dem der galvanisch trennende Transformator gleichzeitig die Rolle des thermischen Isolators zwischen dem kalten und warmen Teil des Systems übernehmen kann. Der Wärmeeintrag in den kalten Teil kann dadurch deutlich verringert werden, was angesichts der schlechten thermodynamischen Wirkungsgrade der Kühlgeräte eine deutliche Verlustreduzierung bedeutet. Um entsprechende Schaltungen auslegen und betreiben zu können ist u.a. ein passendes Modell der GaN-Bauelemente erforderlich. Dafür müssen das Schalt- und Durchlassverhalten verschiedener GaN-Bauelemente messtechnisch im kompletten Temperaturbereich charakterisiert werden. DIese Charakterisierung schließt insbesondere die Untersuchung von Trapping Effekten und dem daraus resultierenden dynamischen Einschaltwiderstand ein. Dafür werden im beantragten Projekt geeignete Versuchsaufbauten entworfen, aufgebaut und damit die Bauelemente charakterisiert. Zu Vergleichszwecken sollen zudem Referenzmessungen im üblichen Temperaturbereich durchgeführt werden. Diese detaillierten Messungen des Verhaltens der GaN-Bauelemente bei niedrigen Temperaturen einschließlich der dynamischen Transfer- und Ausgangskennlinien sind aus der Literatur bisher nicht bekannt. Auf Basis dieser Ergebnisse soll untersucht werden, wie der Gesamtwirkungsgrad einer leistungselektronischen Schaltung durch den Betrieb bei niedrigen Temperaturen im Vergleich zu normalen Betriebstemperaturen beeinflusst wird. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf den Einfluss des dynamischen Durchlasswiderstandes gelegt. Außerdem ermöglichen Untersuchungen in einer konkreten Anwendung die Validierung der neu entwickelten Verlustmodelle.

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