Entwicklungsplattform für GaN-Leistungselektronik

Rutronik hat sein Portfolio im Bereich Leistungselektronik um eine neue Evaluierungsplattform erweitert, die die Entwicklung von Motorantrieben und Energieumwandlungssystemen auf Basis von Galliumnitrid (GaN) unterstützt. Die Plattform kombiniert moderne Mikrocontroller-Technologie, GaN-Halbleiter, Sensorik und Schutzfunktionen in einer integrierten Entwicklungsumgebung für Anwendungen, bei denen Effizienz, Leistungsdichte und Systemintegration entscheidende Anforderungen darstellen.

GaN-Halbleiter in der modernen Leistungselektronik
Gallium-Nitrid-High-Electron-Mobility-Transistoren (GaN HEMTs) werden zunehmend in der Leistungselektronik eingesetzt, da ihre Materialeigenschaften höhere Schaltfrequenzen ermöglichen als herkömmliche Silizium-MOSFETs.

Die Technologie zeichnet sich durch eine hohe Elektronenmobilität, geringe Gate-Ladungen und reduzierte parasitäre Kapazitäten aus. Dadurch werden Schaltverluste und Wärmeentwicklung verringert, während gleichzeitig kleinere Induktivitäten, Kondensatoren und Kühlsysteme eingesetzt werden können. Dies ermöglicht kompaktere Stromrichter mit höherer Leistungsdichte und verbesserter Energieeffizienz.

Obwohl GaN-Bauelemente in der Regel höhere Anschaffungskosten als siliziumbasierte Alternativen aufweisen, ergeben sich auf Systemebene häufig wirtschaftliche Vorteile. Geringere Anforderungen an die Kühlung, reduzierte passive Bauelemente und vereinfachte Systemarchitekturen können die höheren Halbleiterkosten kompensieren und die Gesamtbetriebskosten senken.

Digitale Steuerungsarchitektur für Hochfrequenzanwendungen
Die Evaluierungsplattform basiert auf der Mikrocontroller-Familie PSOC Control mit Arm Cortex-M33-Architektur. Der Controller ist für digitale Leistungsregelung und Motorsteuerungsanwendungen optimiert, die schnelle Reaktionszeiten und deterministisches Regelverhalten erfordern.

Zu den technischen Merkmalen gehören eine hochauflösende Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer Zeitauflösung von unter 100 Pikosekunden, Analog-Digital-Wandler mit Abtastraten von bis zu 12 Millionen Messungen pro Sekunde sowie integrierte Hochgeschwindigkeitskomparatoren mit Reaktionszeiten von unter 10 Nanosekunden.

Darüber hinaus verfügt die Plattform über Hardwarebeschleuniger wie CORDIC-Prozessoren sowie eine Trigger-Architektur mit geringer Latenz. Diese Funktionen unterstützen komplexe Regelalgorithmen, die auch bei hohen Schaltfrequenzen zuverlässig arbeiten müssen, wie sie in GaN-basierten Leistungssystemen üblich sind.

Unterstützung für Motorantriebe und DC-DC-Wandler
Das Entwicklungskit unterstützt verschiedene Topologien der Energieumwandlung. Dazu gehören dreiphasige 48-V-BLDC- und PMSM-Motorantriebe sowie DC-DC-Abwärtswandler.

Die Kombination aus schneller digitaler Regelung und integrierten GaN-HEMTs ermöglicht die Evaluierung von Hochfrequenz-Schaltkonzepten, die den Wirkungsgrad steigern und gleichzeitig die Größe magnetischer Komponenten reduzieren können.

Diese Eigenschaften sind insbesondere für industrielle Automatisierungssysteme, Elektromobilitätsanwendungen, erneuerbare Energiesysteme und Telekommunikationsinfrastrukturen relevant, bei denen Energieeffizienz und kompakte Bauformen zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Integrierte Schutz- und Strommessfunktionen
Die Plattform verfügt über mehrere Schutzmechanismen, die die Entwicklung vereinfachen und die Systemzuverlässigkeit erhöhen sollen.

Dazu gehören Einschaltstrombegrenzung, hardwarebasierte Überstromerkennung sowie Strommessung mittels Tunnelmagnetowiderstands-Sensortechnologie (TMR) von Infineon Technologies.

Präzise Strommessungen und eine schnelle Fehlererkennung sind in Hochfrequenz-Leistungssystemen besonders wichtig, da Schaltvorgänge innerhalb extrem kurzer Zeiträume stattfinden. Die integrierten Schutzfunktionen unterstützen Entwickler bei der Validierung von Systemen und reduzieren die Komplexität während der Entwicklungsphase.

Systemorientierte Entwicklung und schnelles Prototyping
Die Plattform verfolgt einen systemorientierten Entwicklungsansatz, indem sie mehrere Technologien aus dem Komponentenportfolio von Rutronik integriert. Das Design umfasst Messschnittstellen, Erweiterungsmöglichkeiten sowie die Kompatibilität mit Arduino-basierten Entwicklungsboards.

Dadurch können Entwickler Hardwarekonfigurationen bewerten, Regelalgorithmen validieren und anwendungsspezifische Konzepte testen, bevor diese auf produktionsreife Hardware übertragen werden.

Der Ansatz spiegelt einen allgemeinen Trend in der Leistungselektronik wider, bei dem Evaluierungsplattformen zunehmend vollständige Referenzumgebungen bereitstellen, anstatt sich ausschließlich auf einzelne Halbleiterkomponenten zu konzentrieren.

Anwendungen in Industrie- und Energiesystemen
Die Plattform richtet sich an verschiedene Anwendungsbereiche, in denen Energieeffizienz und kompakte Bauweisen zu wichtigen Leistungsmerkmalen geworden sind.

Zu den Zielanwendungen gehören Servoantriebe, Robotiksysteme und fahrerlose Transportsysteme (AGVs) in der Industrieautomation. Im Bereich erneuerbarer Energien kommen unter anderem Solarwechselrichter, Batteriespeichersysteme und Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge in Betracht. Weitere Einsatzfelder umfassen 48-V-Elektromobilitätssysteme, Server-Stromversorgungen, Telekommunikationsinfrastrukturen, Smart-Home-Lösungen und Haushaltsgeräte.

Die steigende Nachfrage nach energieeffizienten elektrischen Systemen in diesen Branchen erhöht das Interesse an Wide-Bandgap-Halbleitertechnologien, die gegenüber herkömmlichen Siliziumlösungen höhere Leistungswerte ermöglichen.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die in der ursprünglichen Pressemitteilung nicht enthalten waren.

GaN-basierte Entwicklungsplattformen werden zunehmend von Halbleiterherstellern und Technologiepartnern wie Texas Instruments, STMicroelectronics, Infineon Technologies, Navitas Semiconductor und EPC angeboten. Zu den wichtigsten Vergleichskriterien zählen Schaltfrequenz, Leistungsdichte, Wirkungsgrad, Gate-Treiber-Integration, Sensorikfunktionen und die Leistungsfähigkeit der digitalen Regelung.

Mit einer PWM-Auflösung von unter 100 Pikosekunden, Analog-Digital-Wandlern mit 12 MSPS und Komparatoren mit Reaktionszeiten unter 10 Nanosekunden gehört die Plattform zur leistungsstarken Kategorie digitaler Leistungsregelungssysteme. Vergleichbare Entwicklungsumgebungen kombinieren häufig ebenfalls GaN-Bauelemente mit digitalen Steuerungen, erfordern jedoch teilweise zusätzliche externe Schutz- und Sensorschaltungen.

Bei Motorsteuerungs- und Energieumwandlungsanwendungen wird die GaN-Technologie häufig mit Silizium-MOSFET- und Siliziumkarbid-(SiC)-Lösungen verglichen. Während SiC-Bauelemente vor allem in Hochspannungsanwendungen mit mehreren hundert Volt dominieren, werden GaN-Komponenten in Niederspannungs- und Mittelspannungsanwendungen bevorzugt, da sie höhere Schaltfrequenzen ermöglichen und dadurch kleinere passive Komponenten sowie höhere Leistungsdichten unterstützen.

Mit den steigenden Anforderungen an Energieeffizienz in Industrieautomation, erneuerbaren Energiesystemen und Rechenzentren werden GaN-basierte Leistungselektronikplattformen zunehmend zu einem wichtigen Werkzeug für die Entwicklung der nächsten Generation von Energieumwandlungssystemen.

Bearbeitet von Aishwarya Mambet, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

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