Bidirektionaler GaN-Schalter für Hochspannungswandlung

Effizienzsteigerung und Bauteilreduzierung bleiben zentrale Entwicklungsziele in der Leistungselektronik für erneuerbare Energien, Elektromobilität und digitale Energieinfrastrukturen. In diesem Zusammenhang stellte die Renesas Electronics Corporation einen bidirektionalen Hochspannungs-GaN-Schalter vor, der vereinfachte einstufige Wandler-Topologien ermöglicht.

Reduzierung der Schalteranzahl in Wandlerarchitekturen
Die meisten Hochleistungs-Wandlerdesigns basieren auf unidirektionalen Silizium- oder Siliziumkarbid-(SiC)-Schaltern, die im Sperrzustand den Strom nur in eine Richtung blockieren. Dies erfordert typischerweise mehrstufige Wandlungsarchitekturen mit mehreren Brückenschaltungen.

Solar-Mikrowechselrichter verdeutlichen diese Einschränkung. Ein typisches Design verwendet eine Vollbrücke mit vier Schaltern für die DC-DC-Wandlung, gefolgt von einer weiteren Stufe zur DC-AC-Umwandlung. Selbst bei einstufigen Designs greifen Entwickler häufig auf antiparallel geschaltete konventionelle Schalter zurück, was die Anzahl der Bauelemente sowie die Schaltverluste erhöht.

Das bidirektionale GaN-Design integriert die Sperrfähigkeit in beide Stromrichtungen in ein einzelnes Bauelement und ermöglicht so eine einstufige Leistungswandlung mit weniger Schaltern. In einer beispielhaften Solar-Mikrowechselrichter-Implementierung können zwei bidirektionale Renesas SuperGaN^®-Bauelemente größere Schalteranordnungen ersetzen und gleichzeitig DC-Zwischenkreiskondensatoren eliminieren.

Schaltverhalten und Auswirkungen auf den Wirkungsgrad
GaN-Schaltbauelemente ermöglichen aufgrund geringer gespeicherter Ladung und schneller Schaltvorgänge höhere Schaltfrequenzen und unterstützen dadurch Designs mit höherer Leistungsdichte.

Tests in einer einstufigen Solar-Mikrowechselrichter-Konfiguration zeigten einen Umwandlungswirkungsgrad von über 97,5 %, begünstigt durch den Wegfall von Back-to-Back-Konfigurationen sowie langsamer Siliziumschalter.

Damit eignet sich die Technologie für Systeme wie Stromversorgungen für KI-Rechenzentren, Onboard-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge sowie dezentrale Solarwandler, bei denen Schaltverluste direkten Einfluss auf das Thermodesign und den Gesamtwirkungsgrad haben.

GaN-Bauelementarchitektur und Gate-Treiber-Kompatibilität
Der TP65B110HRU integriert ein Hochspannungs-GaN-Bauelement im Depletion-Mode mit zwei Niederspannungs-Silizium-MOSFETs. Das Design weist eine typische Schwellenspannung von 3 V, eine Gate-Toleranz von ±20 V sowie integrierte Body-Dioden zur Unterstützung der Rückwärtsleitung auf.

Im Gegensatz zu bidirektionalen GaN-Bauelementen im Enhancement-Mode arbeitet der Schalter mit Standard-Gate-Treibern ohne negative Gate-Vorspannung. Dies reduziert die Komplexität der Gate-Ansteuerung und ermöglicht stabile Schaltvorgänge sowohl im Hard- als auch im Soft-Switching-Betrieb.

Für hart schaltende Topologien wie Vienna-Gleichrichter bietet das Bauelement eine dv/dt-Festigkeit von über 100 V/ns, wodurch schnelle Schaltvorgänge mit reduziertem Ringing und kurzen Schaltverzögerungen möglich werden.

Elektrische Kenndaten und Integrationsdetails
Das Bauelement unterstützt einen kontinuierlichen AC/DC-Betrieb bis ±650 V sowie Transienten bis ±800 V, bei einem typischen RDS(on) von 110 mΩ bei 25 °C.

Weitere Spezifikationen umfassen eine dv/dt-Immunität von über 100 V/ns, eine Durchlassspannung der Freilaufdiode von 1,8 V sowie ein TOLT-Gehäuse mit Top-Side-Kühlung und industriekonformer Pinbelegung zur Unterstützung des Thermodesigns und der Leiterplattenintegration.

Evaluierungs- und Referenzdesigns
Ein Evaluierungskit (RTDACHB0000RS-MS-1) ermöglicht Tests mit verschiedenen Gate-Treiber-Konfigurationen, AC-Nulldurchgangserkennung sowie die Implementierung von Zero-Voltage-Switching (ZVS).

Das Bauelement ist zudem Bestandteil von Renesas System-Referenzdesigns, darunter ein 500-W-Solar-Mikrowechselrichter sowie dreiphasige Vienna-Gleichrichter-Plattformen, die kompatible Controller, Gate-Treiber und Power-Management-ICs kombinieren, um Entwicklungsaufwand und Integrationsrisiken zu reduzieren.

Redigiert von der Industriejournalistin Aishwarya Mambet, mit KI-Unterstützung.

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