Adaptiver GaN Gatetreiber mit induktiver Mitkopplung für höchste Effizienz (AGaNDrive)

• Antragsteller: Professor Dr. Anton Grabmaier, seit 5/2022; Professor Dr.-Ing. Martin Pfost
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462842206

Im Projektvorschlag AGaNDrive werden neue, adaptive GaN-HEMT Treiberkonzepte erarbeitet und untersucht, die besonders schnelles Schalten bei minimalen Einschwingvorgängen („ringing“) bzw. Überschwingen erlauben. In leistungselektronischen Systemen ermöglicht dies die Realisierung von besonders kompakten passiven Komponenten, ohne Einbußen bei der elektromagnetischen Verträglichkeit oder zusätzlichen Bauelemente-Stress beim GaN-HEMT in Kauf nehmen zu müssen. Der zu erarbeitende adaptive Gate-Treiber soll die Vorteile des oben genannten Konzepts für einen weiten Bereich von möglichen Arbeitspunkten und für eine Gruppe verschiedener GaN-HEMT Bausteine durch automatische Anpassung sicherstellen können. Der Fokus des Arbeitsprogramms liegt in der Erarbeitung von Konzepten für besonders schnelles Schalten durch die Kombination von einem aktiven Gate-Treiber, welcher mehrere Spannungsniveaus („multi-level“) und wählbare Ausgangswiderstände unterstützt, mit induktivem „Feed-forward“ zwischen der Ausgangsstufe des CMOS Gate-Treiber ICs und dem GaN-HEMT Leistungsbauelement. Die Anordnung wird erweitert um Dämpfungsnetzwerke zur Reduktion von „ringing“ und Überschwingen. Hauptziel ist die Erarbeitung kombinierter aktiv-passiver Rückkopplungen in Schaltungstopologien für Gate-Treiber. Diese erlauben unter anderem die automatische Anpassung an Herstellungstoleranzen, Alterungseffekte und Temperaturabhängigkeiten. Gleichzeitig werden geringe Schaltverluste und gute elektromagnetische Verträglichkeit der GaN-HEMT Anwendung sichergestellt. Arbeitspunkt- und Lastbedingungen des GaN-HEMTs können sich über einen sehr weiten Bereich ändern, daher sind direkte, möglicherweise relativ komplexe, Rückkopplungsstrategien nicht immer zielführend. Im Rahmen des Projekts werden daher transient angepasste und Algorithmen-basierte Gate-Ansteuerungen auf Basis geschalteter Gate-Treiber Segmente untersucht. Dies erlaubt zum einen die Anpassung an verschiedene GaN-HEMT Bauelemente oder Lastbedingungen, und zum anderen erlaubt es die automatische Anpassung an veränderliche Arbeitspunkte. Zur detaillierten Charakterisierung und experimentellen Evaluierung wird ein Aufbau zur Systemintegration der erarbeiteten Konzepte erstellt. Als Beispielanwendung dient ein typischer DC/DC-Konverter mit Synchrongleichrichtung.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2312: Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rainer Kokozinski, bis 5/2022