Wie Bauelemente mit großer Bandlücke die Leistungsdichte von Wandlern steigern

Wichtigste Erkenntnisse

• Bauelemente mit großer Bandlücke erhöhen die Leistungsdichte durch eine Kette, die von geringeren Schaltverlusten über höhere Frequenzen bis hin zu kleineren passiven Bauteilen reicht, wobei jedes Glied seine eigene Grenze setzt.
• Sobald die magnetischen Bauteile kleiner werden, werden der Wärmefluss und die parasitäre Induktivität zu einschränkenden Faktoren, sodass Wirkungsgrad und Gehäuseauslegung als ein einziges Problem betrachtet und gemeinsam ausgelegt werden müssen.
• Bei hochintegrierten SiC- und GaN-Wandlern ist eine Validierung erforderlich, die einzelne Schaltflanken auflöst, da langsamere Testmodelle die durch die hohe Integrationsdichte auftretenden Timing-Fehler verschleiern.

Bauelemente mit großer Bandlücke erhöhen die Leistungsdichte von Wandlern, da sie die Schaltverluste so weit reduzieren, dass höhere Schaltfrequenzen möglich sind – und durch schnellere Schaltvorgänge werden nahezu alle Komponenten rund um den Transistor kleiner.

Die Leistungssteigerungen sind groß genug, um die Erwartungen neu zu definieren. Ein Forschungsteam hat kürzlich 500 kW in einen 1-Liter-Wechselrichter auf Basis von Siliziumkarbid-Schaltern (SiC) gepackt – ein Ergebnis, das nach Angaben der Entwickler das 2,5-Fache der derzeit besten verfügbaren Systeme darstellt. Zahlen wie diese sind das Ergebnis einer Kette von Entscheidungen, die beim Bauteil beginnt und sich über die Magnetkomponenten, die Kondensatoren und den Kühlkreislauf erstreckt.

Jedes Glied dieser Kette wird enger, je kleiner das Gehäuse wird, und das engste Glied ist in der Regel der entscheidende Faktor. Ein hochverdichtetes Design in der Leistungselektronik lässt Ihnen weniger Spielraum für Layoutfehler, thermische Fehler und Fehler im Steuerungszeitablauf. Ihr Prüfstand muss Ereignisse auflösen, die nur einige zehn Nanosekunden dauern, sonst wird die Dichte, die Sie auf dem Papier erreicht haben, den ersten Prototyp nicht überstehen. Dichte wird auf der Bauteilebene erreicht und auf dem Prüfstand gesichert.

Welche Halbleiter mit großer Bandlücke gibt es in der Praxis?

Halbleiter mit großer Bandlücke sind Materialien wie SiC und Galliumnitrid (GaN), bei denen etwa dreimal so viel Energie wie bei Silizium benötigt wird, um ein Elektron freizusetzen. Dank dieser Eigenschaft kann ein Bauelement die gleiche Spannung mit einer wesentlich dünneren aktiven Schicht blockieren, sodass es mit geringerem Widerstand leitet und weniger Ladung speichert.

Stellen Sie sich zwei 650-V-Schalter mit demselben Durchlasswiderstand vor, einen aus Silizium und einen aus GaN. Das GaN-Bauteil verfügt über einen weitaus kleineren Chip, was bedeutet, dass bei jedem Schaltvorgang weniger Kapazität geladen und entladen werden muss. Weniger pro Zyklus bewegte Ladung bedeutet weniger Energieverlust pro Zyklus, und diese Einsparung wiederholt sich hunderttausende Male pro Sekunde.

SiC und GaN teilen sich den Spannungsbereich untereinander auf. SiC deckt die Spannungsklassen von 800 V bis 1.700 V ab, wie sie in Antriebswechselrichtern und Netzumrichtern vorkommen, und ist sehr hitzebeständig. GaN eignet sich am besten für Spannungen von 650 V und darunter, wo seine Geschwindigkeit am wichtigsten ist. Bei der Auswahl zwischen den beiden Materialien ist zunächst die Spannung und erst in zweiter Linie die Frequenz ausschlaggebend.

Warum ein GaN-FET schneller schaltet als Silizium

Ein GaN-FET schaltet schneller als ein Silizium-FET, da er nur eine sehr geringe Gate-Ladung, eine sehr geringe Ausgangsladung und keine Rückladung aufweist, die abgebaut werden muss. Der Strom fließt durch eine dünne Schicht hochmobiler Elektronen an der Oberfläche des Bauelements, sodass sich der Kanal innerhalb weniger Nanosekunden öffnet und schließt.

Messergebnisse bestätigen dies. Das „ Ingenieur:innen “ in einem nationalen Forschungslabor entwickelte Wandler auf Basis von GaN-Bauteilen, die 10- bis 20-mal schneller schalten als Silizium und dabei weniger Energie verlieren, wobei die Stromumwandlung in Rechenzentren als erklärtes Ziel genannt wurde. Die Rückwärtserholung ist das Detail, auf das es bei hartgeschalteten Brücken wie einer Totem-Pole-Stufe am meisten ankommt. Eine Körperdiode eines Silizium-MOSFET leitet bei jeder Kommutierung gespeicherte Ladung in den gegenüberliegenden Schalter ab, und dieser Verlust steigt mit der Frequenz an. Bei GaN entfällt dieser Nachteil, sodass sich die Frequenzgrenze nach oben verschiebt.

Wie eine höhere Schaltfrequenz die magnetischen Komponenten in einem Wandler verkleinert

Eine höhere Schaltfrequenz führt zu einer Verkleinerung der magnetischen Bauteile, da eine Induktivität oder ein Transformator die Energie nur für eine Schaltperiode speichern muss. Verkürzt man die Periode, benötigt das Bauteil weniger Induktivität, weniger Windungen und einen kleineren Kern, um bei gleicher Welligkeit die gleiche Leistung zu liefern.

Nehmen wir zur Veranschaulichung eine typische Buck-Stufe von 48 V auf 12 V mit einem Welligkeitsstrom von 4 A. Bei 100 kHz ergibt sich eine Induktivität von etwa 22,5 µH. Bei 1 MHz sind für dieselbe Welligkeit 2,25 µH erforderlich, was einer Verringerung der Induktivität um das Zehnfache entspricht.

Das Volumen nimmt nicht im gleichen Verhältnis ab. Der Kernverlust pro Volumeneinheit steigt mit der Frequenz, und der Wicklungsverlust nimmt zu, wenn sich der Strom zur Leiteroberfläche hin drängt. Oft wechselt man zu einem anderen Ferrit, einem Litzendraht oder einer in die Leiterplatte integrierten planaren Wicklung, nur um die Temperatur im Griff zu behalten.

Kondensatoren folgen derselben Logik, haben jedoch ihre eigenen Grenzen. Die Filterkapazität nimmt mit steigender Frequenz ab, dennoch muss der Gleichstromzweig weiterhin den Welligkeitsstrom führen und die Temperatur an seinem „Hot Spot“ aushalten. Der ehrliche Gewinn liegt in einem kleineren passiven Bauteilsatz, der näher an seinen Grenzen betrieben wird.

Was begrenzt die Leistungsdichte eines Wandlers, wenn die passiven Bauteile kleiner werden?

Die Wärmeableitung und die parasitäre Induktivität begrenzen die Leistungsdichte des Wandlers, sobald die passiven Bauteile kleiner werden. Verluste, die sich früher über einen großen Kühlkörper verteilten, werden nun über wenige Quadratzentimeter des Chips und der Leiterplatte abgeleitet, und jedes Nanohenry im Schaltkreis verwandelt schnelle Stromflanken in Spannungsüberschwinger.

Ein 10-kW-Umrichter mit einem Wirkungsgrad von 99 % gibt immer noch etwa 100 W ab. Bei einem Wirkungsgrad von 98 % verdoppelt sich dieser Wert, und ebenso der Kühl hardware. 

„Effizienz und Dichte sind ein und dasselbe Problem, nur aus zwei verschiedenen Blickwinkeln betrachtet – deshalb lohnt sich schon bei einem Verlust von 1 % eine Neukonzeption.“

Das Layout verdeutlicht die Grenzen anhand von Zahlen. Eine 10-nH-Schleife, durch die ein Strom fließt, der mit 2 A pro Nanosekunde ansteigt, erzeugt einen Überschwinger von 20 V, und ein schnelleres Bauteil verschlimmert dieses Problem noch. Die Lösung besteht in einer dichteren Bauweise, wodurch die Bauteile näher beieinander liegen und sich die thermischen Anforderungen erneut erhöhen.

Wo sich die Leistungsdichte bei elektrifizierten Produkten zuerst auszahlt

Die Leistungsdichte zahlt sich vor allem dort aus, wo Volumen oder Gewicht direkte Kosten verursachen – also bei Fahrzeugen und Server-Netzteilen. Ein kleineres Bordladegerät schafft Platz für Batteriezellen, und ein Netzteil mit höherer Leistungsdichte liefert mehr Watt an ein Rack, ohne dabei mehr Platz im Rack einzunehmen.

Die beiden Fälle setzen unterschiedliche Komponenten ein. Ein 800 -V-Antriebswechselrichter stützt sich auf SiC, da die Busspannung und die Wärmeentwicklung unter der Haube die meisten Alternativen ausschließen. Ein Server-Netzteil nutzt GaN im Frontend und in der isolierten DC/DC-Stufe, wo Frequenzen von mehreren hundert Kilohertz den Transformator so klein machen, dass er in ein 1U-Profil passt. Beide Projekte haben eine gemeinsame Einschränkung: Das Design, das sich durchsetzt, ist dasjenige, das sein Wirkungsgradziel bei der vom Produkt vorgegebenen Größe erreicht – und dieses Ziel lässt nur sehr wenig Spielraum für eine spätere Überarbeitung.

Was lässt sich bei hoher Schaltfrequenz immer schwerer validieren?

Bei hohen Schaltfrequenzen lässt sich die Zeitauflösung immer schwerer überprüfen, da die Ereignisse, die über Verlust und Stabilität entscheiden, schneller ablaufen, als die Messgeräte sie erfassen können. 

„Ein Simulator, der langsamer als die Schaltperiode läuft, gleicht das Verhalten, das Sie überprüfen müssen, im Durchschnitt aus.“

Betrachten wir eine 500-kHz-Stufe mit einer Periode von 2 µs. Ein „ hardware-in-the-Loop“-Modell, das alle 10 µs aktualisiert, kann nicht einmal ein einziges Gate Vorteil einbauen, geschweige denn eine Totzeit von 50 ns, die bereits 2,5 % der Periode ausmacht. Ihr Regler sieht ein geglättetes Regelobjekt und besteht Tests, die er unter realen Bedingungen hardware nicht bestehen würde.

Je häufiger die Kontrollen stattfinden, desto schwieriger werden sie.

• Platzierung des Gate- Vorteil s relativ zum Simulationszeitschritt
• Auswirkungen der Totzeit auf die Stromverzerrung
• Schutzreaktion bei einem Querleitungsfehler
• Verzögerung im Regelkreis von der Abtastung bis zur Aktualisierung der Pulsweitenmodulation
• Verhalten eines Resonanzkreises im Bereich der „ Vorteil “ beim Soft-Switching

Die FPGA-basierte Lösung schließt diese Lücke. OPAL-RT hat den eHS-Solver entwickelt, um hochfrequente Schaltvorgänge auf dem FPGA in Echtzeit nachzubilden, sodass Ihr SiC- und GaN-Regler mit der Geschwindigkeit getestet wird, mit der der Umrichter läuft. Diese Genauigkeit ist besonders wichtig für Fehlerfälle, die Sie auf einem Prototyp nicht sicher simulieren können.

Die Validierungsgeschwindigkeit entscheidet darüber, wie weit ein dichtes Design geht

Die Validierungsgeschwindigkeit entscheidet darüber, wie weit ein hochintegriertes Design gehen kann, denn jede Steigerung der Integrationsdichte verringert den Spielraum, der zuvor Fehler verdeckt hat. Das Gerät ermöglicht schnellere Schaltvorgänge, und die Testumgebung muss damit Schritt halten – andernfalls führen die nicht verifizierten Bereiche des Designs zu Ausfällen im Einsatz.

Das gleiche Muster zeigt sich bei Konverterprogrammen jeder Größenordnung und ist leicht zu erkennen. Teams, die das Gerät als das A und O betrachten, verbringen ihre Zeit mit der Überarbeitung der Leiterplatten. Teams, die die gesamte Kette vom Chip über die passiven Bauteile bis hin zur Kühlung und zum Test planen, erkennen die schwierigen Probleme, solange deren Behebung noch kostengünstig ist. Ein Regler, der anhand eines Anlagenmodells getestet wurde, das jeden Schalt Vorteil us berücksichtigt, führt zu einer Strom Tests , bei der es weitaus weniger Überraschungen gibt.

Das sind die Anforderungen, die eine große Bandlücke an Sie stellt. Wählen Sie das Bauteil entsprechend der benötigten Spannung und Frequenz aus, dimensionieren Sie die magnetischen Komponenten unter Berücksichtigung von Verlusten und Induktivität und sorgen Sie für einen kurzen Wärmeabfuhrweg. Testen Sie anschließend bei der Geschwindigkeit, mit der der „ hardware “ läuft. OPAL-RT unterstützt diesen letzten Schritt mit einer Echtzeitsimulation, die schnell genug für die Wandler ist, die Sie gerade entwickeln.