Neue Materialien ermöglichen hohe Taktfrequenzen: Fraunhofer ISE entwickelt resonanten DC/DC-Wandler (Demonstrator) mit 2,5 MHz für die Luftfahrtanwendung.

Neue Materialien ermöglichen hohe Taktfrequenzen: Fraunhofer ISE entwickelt resonanten DC/DC-Wandler (Demonstrator) mit 2,5 MHz für die Luftfahrtanwendung. Fraunhofer ISE

Die Effizienz leistungselektronischer Systeme ist nicht allein vom elektrischen Wirkungsgrad, sondern im Fall mobiler Systeme auch vom Gewicht abhängig. Durch die Gewichtsreduktion entsprechender Bauteile und Geräte, zum Beispiel in Flugzeugen, kann Treibstoff eingespart und der Ausstoß von Abgasen reduziert werden. Zur Gewichtsreduktion und Effizienzsteigerung tragen neue Materialien und Komponenten auf Basis von Galliumnitrid (GaN) bei. Durch ihren Einsatz können leistungselektronische Schaltungen mit höheren Schaltfrequenzen betrieben und so deren Leistungsdichte erhöht sowie Materialkosten gesenkt werden. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben sich gemeinsam mit Partnern mit der Frage beschäftigt, wie zukünftig diese Materialien und Komponenten leistungselektronische Systeme für die Luftfahrt noch effizienter machen können.

Im Projekt „GaN-resonant – Effiziente, hochkompakte Hochfrequenz-Leistungselektronik mit GaN-Transistoren“  hat sich mit den Verbundpartnern Sumida Components & Modules GmbH, Liebherr-Elektronik GmbH und dem Fraunhofer ISE ein Konsortium zusammengefunden, das sich auf den Gebieten der induktiven Bauelemente, Luftfahrtelektronik und Leistungselektronik ideal ergänzt. Konkretes Ziel des Projekts war die Entwicklung eines resonanten DC/DC-Wandlers mit GaN-Transistoren, der mit Schaltfrequenzen von deutlich über 1 MHz betrieben wird und eine Nennleistung von 3 kW aufweist. Der Wandler wurde speziell für den Einsatz in der Luftfahrt konzipiert, in der die Vereinbarung von ökonomischen und ökologischen Herausforderungen eine besonders wichtige Rolle spielt.

DC/DC-Wandler mit 3,9 kW/kg Leistungsgewicht

Um die ambitionierten Projektziele zu erreichen, setzten die Wissenschaftler und Industriepartner auf Leistungstransistoren aus Galliumnitrid (GaN) und innovative induktive Bauelemente. Die bisher üblichen Schaltfrequenzen von bis zu 350 kHz für Resonanzwandler konnten auf 2,5 MHz angehoben werden. „Durch diese vergleichsweise hohen Frequenzen konnte ein großer, durch die passiven Bauelemente bedingter Teil des Gewichts und des Volumens des 3 kW-DC/DC-Wandlers eingespart werden“, so Cornelius Armbruster, Entwicklungsingenieur im Team effiziente und hochfrequente Leistungselektronik am Fraunhofer ISE. Durch die Verkleinerung der passiven Bauelemente wird zudem weniger Material, zum Beispiel Kupfer oder Ferrit, für die Herstellung benötigt. Die elektrischen Eigenschaften der eingesetzten GaN-Transistoren ermöglichen trotz einer hohen Schaltfrequenz einen hohen Wirkungsgrad.

Wirkungsgradkurven des vom Fraunhofer ISE entwickelten hochkompakten DC/DC-Wandlers (Demonstrator) für Luftfahrtanwendungen bei verschiedenen Ausgangsleistungen (Uaus = 28 VDC, fsw = 1,8 bis 2,5 MHz). Die maximale Effizienz liegt bei 94,5 %.

Wirkungsgradkurven des vom Fraunhofer ISE entwickelten hochkompakten DC/DC-Wandlers (Demonstrator) für Luftfahrtanwendungen bei verschiedenen Ausgangsleistungen (Uaus = 28 VDC, fsw = 1,8 bis 2,5 MHz). Die maximale Effizienz liegt bei 94,5 %. Fraunhofer ISE

„Der entwickelte Wandler verfügt über ein Leistungsgewicht von etwa 3,9 kW/kg und für einen weiten Arbeitsbereich über einen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 90 %. Einen vergleichsweise hohen Maximalwirkungsgrad von 94,5 % erreicht der Wandler bei der halben Nennlast und einer Schaltfrequenz von 2 MHz“, so Armbruster. Der Einsatz dieser hohen Frequenzen erfordert jedoch auch eine besondere Beachtung des Designs der Platine, der Messtechnik beziehungsweise Regelungstechnik und der elektromagnetischen Verträglichkeit. Unter Berücksichtigung dieser Aspekte wurde der Demonstrator mit einer flachen 8-lagigen Platine realisiert und im Besonderen die Ansteuerung der GaN-Transistoren optimiert.