Steigender Stromverbrauch

Die Entwicklung von Stromquellen und -verbrauchern stellt erhöhte Anforderungen an Leistungskonverter. Innovative Komponenten wie Galliumnitrid (GaN) aus der Familie der Wide-Bandgap-Halbleiter bieten Lösungen, die diesen gesteigerten Leistungsanforderungen gerecht werden.

Der Stromverbrauch steigt kontinuierlich aufgrund der Entwicklung von:

• Elektrischen Transportmitteln
• Solar- und Windparks
• Rechenzentren und digitalen Werkzeugen
• Elektrischen Geräten und Maschinen

Die Effizienz elektrischer Systeme wird daher zu einer zentralen Herausforderung, die ein Gleichgewicht zwischen folgenden Aspekten erfordert:

• Leistung (insbesondere Wirkungsgrad und Leistungsdichte)
• Kosten

Die Berücksichtigung dieser Kriterien führt zwangsläufig zu Einschränkungen in der Architektur von DC-DC-Wandlern und der Auswahl der Leistungskomponenten (aktiv oder passiv).

Entwicklung der Bautechnologie

Um die Leistung zu verbessern, wird an Materialien und Technologien für Leistungskomponenten geforscht.

Wide-Bandgap-Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) ermöglichen die Entwicklung von Leistungstransistoren, die den aktuellen Standards von MOSFETs oder IGBTs überlegen sind. Dies führt zu:

• Einer erheblichen Reduktion der Größe von DC-DC-Wandlern
• Hoher Effizienz bei der Energieumwandlung

Die Fähigkeit von Wide-Bandgap-Komponenten, wesentlich schneller, häufiger und bei höheren Frequenzen zu schalten als herkömmliche Technologien, erhöht die Leistungsdichte von Energiewandlern drastisch. Dies wird durch die Verringerung der Größe magnetischer Bauelemente und die Vereinfachung des Kühlsystems ermöglicht.

DC-DC-Energieumwandlung als zweite Umwandlungsstufe

1. 1. Stufe – AC/DC-Umwandlung
   • Leistungsfaktorkorrektur, nicht isoliert.
2. 2. Stufe – DC/DC-Umwandlung
   • Anpassung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms an die Anwendung.
   • Mögliche Isolation zwischen Eingang und Ausgang.
3. 3. Stufe (optional) – DC-Bus
   • Glättung der entnommenen Leistung.

Die DC-DC-Energieumwandlung passt somit die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom an die Last an. Isolation kann in einigen Anwendungen erforderlich sein, um die Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten.

Die Integration von SiC- und GaN-Komponenten in die Architektur von DC-DC-Wandlern ermöglicht die Entwicklung innovativer und leistungsstarker Umwandlungssysteme.

Prinzipien der DC-DC-Umwandlung

Die DC-DC-Energieumwandlung wird als die zweite Stufe der Energieumwandlung betrachtet:

1. 1. Stufe – AC/DC-Umwandlung
   • Leistungsfaktorkorrektur, nicht isoliert.
2. 2. Stufe – DC/DC-Umwandlung
   • Anpassung der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms an die Anwendung.
   • Mögliche Isolation zwischen Eingang und Ausgang.
3. 3. Stufe (optional) – DC-Bus
   • Glättung der entnommenen Leistung.

Die Funktion der DC-DC-Energieumwandlung besteht darin, Spannung und Strom am Ausgang an die Last anzupassen. In bestimmten Anwendungen kann eine Isolation erforderlich sein, um die Sicherheit der Benutzer zu gewährleisten.

Die Integration von SiC- und GaN-Komponenten in die Architektur von DC-DC-Wandlern ermöglicht die Entwicklung innovativer und leistungsstarker Umwandlungssysteme.

Perspektiven

Die Wirkungsgrade und die Leistungsdichte, die durch Wide-Bandgap-Halbleiter wie SiC und GaN erreicht werden, fördern zunehmend deren Einsatz bei der Gestaltung von Leistungsarchitekturen.

Aufkommende Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und dazugehörige Ladegeräte treiben die Nutzung von SiC- oder GaN-Komponenten voran. Die Bidirektionalität der Leistung bei Ladegeräten ist erforderlich, um die zukünftige Rolle von Elektrofahrzeugen in der Netzregelung („Grid“) zu gewährleisten. Diese Regelung erfolgt durch die Einspeisung der im Fahrzeug gespeicherten Energie ins Netz, während gleichzeitig die Funktion des Ladevorgangs für das Elektrofahrzeug erhalten bleibt.

Dieses Anwendungsbeispiel stellt strengere Anforderungen an die Leistungsarchitektur und erfordert den Einsatz von SiC- oder GaN-Komponenten, um höhere Leistungen in kompakteren Leistungsmodulen zu erzielen.