Erweiterung des Regelbereiches von LLC-Resonanzkonvertern durch Einsatz von GaN-FET

Ein wichtiges Element in der effizienten Nutzung von Energie, wie in diesem Fall für eine Batterieladevorrichtung, ist die Energieumwandlung. Diese geschieht üblicherweise mit Konvertern, die über PWM gesteuert werden. Besonders bei hohen Frequenzen und Eingangsspannungen ergeben sich jedoch Probleme durch hohe Schaltverluste und EMI. Resonanzkonverter werden im Gegensatz zu herkömmlichen Konvertern über die Modulation der Frequenz gesteuert. Sie haben großes Potential, auch mit hohen Schaltfrequenzen viel Leistung zu wandeln, ohne an Wirkungsgrad zu verlieren. Eine besondere Stellung nehmen LLC- Resonanzkonverter ein, da auch parasitäre Induktivitäten, die in anderen Schaltungen störend wirken, für die Energiewandlung bewusst genutzt werden. Dennoch beeinflussen sich die (Resonanz-) Bauteile gegenseitig und parasitäre Kapazitäten führen zu unerwünschten Effekten. Wide-Bandgap-Halbleiter zeichnen sich gegenüber konventionellen Silizium-Halbleitern durch hohe Durchbruchfestigkeit und Schaltgeschwindigkeit sowie durch geringe Leitungsverluste, gute Wärmeleitfähigkeit und relativ kleinen Chipgrößen aus. Insbesondere GaN-FET lassen aufgrund geringer Ausgangskapazitäten schnelles Schalten und kurze Totzeiten zwischen den Schaltvorgängen zu. Aus diesen und noch weiteren Gründen heben sich GaN-FET besonders für den Einsatz in Resonanzkonvertern hervor. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei Prototypen eines LLC-Resonanzkonverters für eine Elektrofahrzeug-Ladevorrichtung erstellt und verglichen. Der erste Prototyp ist in der Eingangsstufe mit Si-MOSFET, der zweite mit GaN-FET ausgestattet. Im Rahmen des Entwurfs wurde die Schaltung nach der FHA-Methode analysiert und dimensioniert. Begleitende Simulationen des Schaltkreises dienten zur Absicherung der analytischen Berechnungen und wurden für weitere Designentscheidungen genutzt. Für eine genaue Gegenüberstellung wurden beide Prototypen vermessen. Sowohl die Simulations- wie auch die Messergebnisse sind hier dokumentiert und diskutiert. Die Untersuchungen lassen feststellen, dass GaN-FET insbesondere im kapazitiven Betriebsbereich höhere Effizienz durch exakteres Schalten mit weniger Schaltverlusten ermöglichen. Zusätzlich konnte die Resonanzfrequenz nach oben verschoben und damit die Leistungsdichte erhöht werden. Abschließend konnte nachgewiesen werden, dass durch Einsatz von GaN-FET eine Erweiterung des Regelbereichs möglich ist. Diese ergibt sich im Konverterbetrieb aus der erzielten Ausdehnung des Frequenz- und Aussteuerbereichs sowie einer entsprechenden Steigerung der Verstärkung.