In Präzisionsanwendungen wie Servoantrieben, CNC-Maschinen (Computer Numerical Control), Robotern und kommerziellen Drohnen kommen zunehmend oder sogar ausschließlich bürstenlose DC- oder AC-Induktionsmotoren für niedrige Spannungen und mit geringer Statorinduktivität zum Einsatz. Um die Stromwelligkeit in einem akzeptablen Rahmen zu halten, erfolgt die Ansteuerung dieser Motoren aufgrund ihrer geringen Induktivität mit Schaltfrequenzen bis zu 100 kHz. Die Welligkeit des Phasenstroms, die umgekehrt proportional zur PWM-Schaltfrequenz (Pulsweiten-Modulation) ist, äußert sich durch eine Welligkeit des mechanischen Drehmoments. Dies ruft Vibrationen hervor, beeinträchtigt die Ansteuergenauigkeit und schadet dem Wirkungsgrad.

Schaltfrequenz vs. Verlustleistung – ein Kompromiss

Tabelle 1: Übersicht der typischen Werte eines FETs auf Si-Basis und eines GaN-HEMT.

Tabelle 1: Übersicht der typischen Werte eines FET auf Si-Basis und eines GaN-HEMT. Texas Instruments

Bei der Erhöhung der Schaltfrequenz ist jedoch hinsichtlich der Verlustleistung ein Kompromiss notwendig. Die Verlustleistung im Wechselrichter setzt sich hauptsächlich aus Leitungs- und Schaltverlusten zusammen. Bei gegebener Schaltfrequenz ist die Verringerung der Schaltverluste durch eine Verkleinerung der Schaltelemente – meist MOSFETs – möglich. Jedoch kommt es dadurch zu höheren Leitungsverlusten im System. In einem idealen Design bestimmt die Technologie der Halbleiterschalter den maximal erreichbaren Wirkungsgrad.

Im traditionellen, mit 48-V-Silizium-MOSFETs bestückten Wechselrichter können die Schaltverluste bei einer PWM-Frequenz von 40 kHz bereits deutlich höher ausfallen als die Leitungsverluste, sodass sie die insgesamt entstehenden Verluste dominieren. Zum Ableiten der entstehenden Wärme müssen größere Kühlkörper zum Einsatz kommen, was Kosten, Gewicht und Abmessungen des Systems erhöht. In Anwendungen mit knappen Platzverhältnissen ist diese Vorgehensweise deshalb nicht wünschenswert oder sogar gänzlich inakzeptabel.

High-Electron-Mobility Transistors (HEMTs) auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) bieten mehrere Vorteile gegenüber Silizium-MOSFETs und erschließen damit neue Möglichkeiten für schnelle Antriebe. Zum Beispiel erreichen GaN-Transistoren deutlich höhere Anstiegsgeschwindigkeiten (dV/dt). Sie sind dadurch in der Lage, wesentlich schneller zu schalten als Si-MOSFETs und erreichen deutlich geringere Schaltverluste. Zusätzlich tritt bei GaN-Transistoren keine Sperrverzögerungsladung auf, die bei Designs mit traditionellen MOSFETs auf Si-Basis zu einem unerwünschten Schwingen am Schaltknoten führt. Tabelle 1 zeigt eine Gegenüberstellung der typischen Eigenschaften von Si- und GaN-FETs.

Details zu den Anforderungen an Gatetreiber und ans das Leiterplatten-Layout bespricht der Beitrag auf der nächsten Seite.

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