Bidirektionale GaN-Schalter für die digitale Energieinfrastruktur

Die Infineon Technologies AG und Enphase Energy, Inc. kooperieren beim Einsatz monolithischer bidirektionaler 900-Volt-Galliumnitrid-Schalter (GaN-BDS) in Halbleitertransformatoren (Solid-State Transformer, SST). Diese gemeinsame technische Entwicklung zielt auf Hochspannungs-Stromwandlungssysteme ab, die in der digitalen Infrastruktur eingesetzt werden, und adressiert speziell die Energieverteilung in Rechenzentren für künstliche Intelligenz und in gewerblichen Solaranlagen.

Betriebliche Herausforderungen und Rollen der Partner
Energieverteilungsarchitekturen der nächsten Generation erfordern eine erhöhte Effizienz und Leistungsdichte, um die thermischen und räumlichen Einschränkungen von Hochleistungsrechenzentren zu bewältigen. Historisch gesehen hat Siliziumkarbid (SiC) die Hochspannungs-Stromwandlung dominiert. Das Erreichen eines Betriebs mit höheren Frequenzen erfordert jedoch eine fortschrittliche Materialintegration. Um dieser technischen Herausforderung zu begegnen, leitet Enphase Energy die Systemtechnik und Demonstration der SST-Module, während Infineon die grundlegende GaN-Bauteiltechnologie und den technischen Support bereitstellt.

Technische Lösung und Verantwortlichkeiten
Die technische Lösung konzentriert sich auf die monolithische 900-V-GaN-BDS-Technologie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Leistungsschaltern, die mehrere diskrete Komponenten zur Steuerung des Energieflusses benötigen, integriert die monolithische Architektur die bidirektionale Spannungsblockierung und Stromleitung in einem einzigen Halbleiterbauelement. Infineon ist für die Herstellung der Halbleiterkomponenten verantwortlich, um die Hochfrequenz-Schalteigenschaften bei 900 V aufrechtzuerhalten. Enphase integriert diese Schalter in seine SST-Leistungsmodule und konfiguriert die Hardware so, dass einfachere Leistungsstufen unterstützt werden. Diese Hochfrequenzfähigkeit reduziert direkt die erforderliche Größe der zugehörigen magnetischen Komponenten im Schaltkreis.

Bereitstellung und Implementierung
Die GaN-BDS-Bausteine durchlaufen derzeit die Integration und Erprobung innerhalb der SST-Produktentwicklungspipeline bei Enphase. Die Hardware ersetzt frühere 650-V-Konfigurationen und bietet einen größeren Spannungsspielraum für Systeme im Megawatt-Maßstab. Die Unternehmen bereiten die integrierten Module auf die Produktionsqualifikation vor und überführen die Prototypen in kommerzielle Leistungspfade, die für dreiphasige 480-V-Leiter-Leiter-Anwendungen in den USA und für internationale 400-V-Standards ausgelegt sind.

Anwendungen, Anwendungsfälle und Auswirkungen
Die Hauptanwendung für diese Technologie ist die Energieverteilung in KI-Rechenzentren, wo sich die Leistungsdichte direkt auf die Skalierbarkeit der Einrichtungen auswirkt. Durch die Erhöhung der Sperrspannung auf 900 V ermöglichen die Bausteine den Ingenieuren, zwischengeschaltete Stromwandlungsstufen zu eliminieren. Dieser Mechanismus reduziert die Gesamtanzahl der Komponenten im Leistungspfad, was elektrische Verluste verringert und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert. Darüber hinaus unterstützt die Architektur den breiteren industriellen Übergang zu Energieverteilungsstandards von 800 V und 1.500 VDC.

Zu den betrieblichen Auswirkungen der höheren Spannungsgrenze erklärte Hans van Antwerpen, Senior Vice President und Chief Technology Officer bei Enphase Energy: „Der Wechsel zu 900 V gibt uns mehr Spannungsspielraum und bewahrt gleichzeitig die Vorteile des Hochfrequenzschaltens. Dadurch können wir Wandlerstufen aus dem System entfernen und die Anzahl der Komponenten im Leistungspfad reduzieren, was sich in höherer Effizienz, höherer Leistungsdichte und verbesserter Systemzuverlässigkeit niederschlägt.“

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

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