Update GaN PV-Wechselrichter: Verluste und erste Effizienzergebnisse

Als System Innovator arbeitet Neways an verschiedenen Innovationsprojekten. Eines dieser Projekte ist das europäische GaNext-Projekt, bei dem wir zusammen mit unseren internationalen Partnern ein Intelligent Power Module (IPM) bauen, um bestehende Hindernisse für die Einführung der Galliumnitrid (GaN)-Technologie für praktische Lösungen zu beseitigen. Galliumnitrid "GaN" ist ein vielversprechendes Material, um Silizium in Leistungselektronikanwendungen im 650-V-Marktsektor zu ersetzen, wie z. B. Solar-(PV)-Wechselrichter, Netzteile, Motorsteuerungen oder LED-Treiber. Stromsysteme auf Basis von GaN können leichter, kompakter, deutlich effizienter und potenziell kostengünstiger sein als solche auf Basis von Silizium.

Unser Anteil besteht darin, einen extrem kompakten Solarwechselrichter (PV-Wechselrichter) zu bauen, der sowohl die GaN-Technologie als auch das IPM enthält, um zur Miniaturisierung von Leistungsanwendungen beizutragen. In unseren vorherigen Artikeln zur GaN-Technologie haben wir einige grundlegende Entscheidungen in Bezug auf die Schaltfrequenzen und die strukturierte Art und Weise, den Wechselrichter zum Leben zu erwecken, erläutert.

GaN Power Module

Inzwischen haben wir die ersten Wirkungsgradzahlen aus den verschiedenen Stufen des diskreten PV-Wechselrichters extrahiert. Durch die erhöhten Schaltfrequenzen wäre mit großen Verlusten zu rechnen, aber die GaN-Komponenten ermöglichen eine sehr geringe Leitung und Schaltverluste führen zu einem sehr guten Gesamtwirkungsgrad in unserem Wandler. Es gibt jedoch wichtige Parameter, die optimiert werden müssen, um das volle Potenzial der GaN-Technologie zu nutzen. Zu diesen Parametern, die in direktem Zusammenhang mit den Vorteilen von GaN stehen, gehört die sogenannte Totzeit: die Zeit zwischen dem Betätigen der verschiedenen Schalter im Wechselrichter.

Die erforderliche Totzeit in einem GaN-System ist gering und kann im Nanosekundenbereich liegen. Dennoch ist es wichtig, dies klein zu halten, da jede Leitung im sogenannten 3. Quadranten (wenn während der Totzeit alle GaN-Bauelemente im Stromkreis abgeschaltet sind) zu Verlusten führt.

Die fehlende intrinsische Body-Diode in den GaN-Schaltern (im Vergleich zu Standard-Silizium-Schaltern), die einer der Vorteile von GaN ist, da sie höhere Schaltgeschwindigkeiten und eine reduzierte Ausgangskapazität ermöglicht, hat einen großen Nachteil: Durch die fehlende intrinsische Body-Diode ist der Spannungsabfall über dem Gerät (Vds) im 3. Quadrantenbetrieb viel höher als der Spannungsabfall von Standard-Siliziumschaltern und daher können die Verluste während der Totzeit erheblich sein!

Die ersten Effizienzergebnisse werden gemessen und sind vielversprechend. Mit der aktuellen Interleaved-Boost-Implementierung können wir beim Schalten mit 350KHz immer noch eine Effizienz von bis zu 99% in der Boost-Stufe erreichen, was unsere Erwartungen übertrifft! Die nächsten Schritte umfassen die Optimierung der Endstufe, um sicherzustellen, dass wir das Beste aus der GaN-Technologie herausholen!

Unser hoch motiviertes Neways GaNext Team. Oben von links nach rechts: Roel Kampert, Marcel Boom, Rob Cremers. Unten von links nach recht: Bas Reijnen, Tim van der Loo

Mehr Informationen über GaNext: www.ganext-project.com