M.Sc. Martin Fein

M.Sc. Simon Frank 

Jan-Erik Ramm

Motivation
Die Anforderungen an moderne Leistungselektronik steigen: Höhere Effizienz und kompaktere Bauformen sollen gleichzeitig Kosten, Materialaufwand und CO2-Emissionen senken. Konventionelle Silizium-Halbleiter stoßen dabei an ihre Grenzen, da ihre Schaltverluste bei steigenden Frequenzen stark zunehmen. Gallium-Nitrid (GaN) als Wide-Bandgap-Halbleiter bietet hier eine leistungsfähige Alternative. Dank seiner hohen Durchbruchfeldstärke und Elektronenbeweglichkeit ermöglichen GaN-Transistoren besonders geringe Schalt- und Durchlassverluste sowie hohe Schaltgeschwindigkeiten. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit wurden verschiedene Gate-Technologien für GaN-HEMTs entwickelt. Ein zusätzlicher Vorteil von GaN-HEMTs ist ihr stabiles Verhalten bei tiefen Temperaturen. Hier zeigen sie sogar verbesserte Eigenschaften, wie einen verringerten Einschaltwiderstand, was sie für Anwendungen in Kombination mit Supraleitern besonders attraktiv macht.

Ein Nachteil sind jedoch sogenannte Trapping-Effekte, etwa der dynamische Anstieg des Einschaltwiderstands RDS,on, der durch Ladungsträgerumverteilungen verursacht wird. Ein weitgehend unerforschtes Feld stellt hierbei der Effekt tiefer Temperaturen auf die Trapping-Effekte dar. Um den Einfluss dieser Effekte auf den Dauerbetrieb zu untersuchen, soll ein kryogenes Vollbrückenmodul mit Temperaturregelung entwickelt werden.

Aufgabenstellung
Ziel der Arbeit ist es, ein kryogenes Vollbrückenmodul zu entwickeln, welches als Hoch- bzw. Tiefsetzsteller oder als Teil einer DAB/ eines LLC betrieben werden kann. Zum späteren Vergleich verschiedener Gate-Technologien soll das Modul möglichst modular aufgebaut sein und Messpunkte enthalten. Für eine effiziente Kühlung befinden sich die Halbleiter direkt im LN2. Zur Temperaturregelung soll der LN2-Füllstand innerhalb eines vakuumisolierten Kühlkörpers mithilfe eines Magnetventils geregelt werden. Die Ansteuerung erfolgt extern über einen STM32-Mikrocontroller.