PowerPulse
Исследователи из Фраунгоферовского института систем солнечной энергетики ИСЭ во Фрайбурге, Германия, совместно с партнерами провели исследования возможности использования мощных GaN устройств для повышения эффективности силовых электронных систем в авиационных приложениях. В этом проекте, названном «GaN-resonat – эффективная, компактная, высокочастотная силовая электроника с GaN транзисторами», участники консорциума из SUMIDA, Liebherr Elektronik и института Фраунгофера дополняли друг друга в области индуктивных компонентов, авиационных технологий и силовой электроники.
Целью исследователей была разработка резонансного DC/DC преобразователя на основе GaN транзисторов с номинальной мощностью 3 кВт и частотой переключения, намного превышающей 1 МГц. Преобразователь создавался специально для авиационных приложений, где главную роль играет проблема совместимости экономических и экологических требований.
Для достижения амбициозных целей проекта исследователи и их партнеры по отрасли использовали мощные GaN транзисторы совместно с инновационными индуктивными компонентами. Это позволило увеличить частоту переключения до 2.5 МГц, в то время как типичные для таких приложений рабочие частоты современных резонансных преобразователей не превышают 350 кГц.
«При таких высоких частотах значительную часть веса, приходящуюся на пассивные компоненты, и объем 3-киловаттного DC/DC преобразователя можно существенно сократить», – говорит Корнелиус Армбрустер (Cornelius Armbruster), инженер по развитию в команде разработчиков. При уменьшенных размерах пассивных компонентов для производства требуется меньше материалов (например, меди или феррита), что позволяет экономить дефицитные ресурсы.
Хорошие динамические характеристики GaN транзисторов обеспечивают высокую эффективность даже на больших частотах. «Отношение мощности к весу у разработанного преобразователя равно 3.9 кВт/кг, а общий КПД превышает 90% в широком диапазоне рабочих режимов», – продолжил Армбрустер. «Преобразователь достигает сравнительно высокого максимального КПД 94.5% при половине номинальной мощности и частоте переключения 2 МГц», – добавил он.
Однако в столь высокочастотных устройствах следует уделять особое внимание конструкции печатной платы, технологии измерения и контроля, а также вопросам электромагнитной совместимости. С учетом этих аспектов для демонстрации была изготовлена восьмислойная печатная плата и, в частности, разработана и оптимизирована методика управления GaN транзисторами.
В течение многих лет институт Фраунгофера проводит НИОКР в области высокоэффективной высокочастотной силовой электроники для систем возобновляемой энергетики и приложений, использующих новейшие GaN и SiC компоненты. В проекте резонансного GaN преобразователя исследователи и их партнеры разработали сценарий применения резонансного преобразователя в авиационной промышленности, учитывающий специфические требования, предъявляемые к авиационной электронике.
Исследователи считают, что в будущем результаты разработки могут быть использованы и в других областях. Одной из возможных сфер применения являются источники питания для серверных центров, а также для электроники средств связи в целом. Количество энергии, потребляемой во всем мире для питания существующей коммуникационной инфраструктуры, огромно, и все указывает на то, что рост этого потребления будет продолжаться. В этом случае, считают исследователи из Фрайбурга, создание новых компактных высокоэффективных DC/DC преобразователей с меньшим расходом материалов и меньшими потерями мощности дает очевидные преимущества, причем не только с точки зрения эффективности, но и за счет упрощения систем охлаждения.
Проект резонансного GaN преобразователя был начат в 2013 году и продолжался 3 года. Работа была профинансирована в объеме €1.2 млн. Федеральным министерством образования и научных исследований Германии в рамках правительственной стратегии развития высокий технологий в соответствии с научно-исследовательской программой IKT2020 «Leistungselektronik zur Energieeffizienzsteigerung» («Повышение энергоэффективности силовой электроники»).
