Martin Fein

Simon Frank 

Jan-Erik Ramm

Motivation
Die Anforderungen an moderne Leistungselektronik steigen: Höhere Effizi-
enz und kompaktere Bauformen sollen gleichzeitig Kosten, Materialaufwand
und CO2-Emissionen senken. Konventionelle Silizium-Halbleiter stoßen da-
bei 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 Durchbruchfeldstär-
ke und Elektronenbeweglichkeit ermöglichen GaN-Transistoren besonders
geringe Schalt- und Durchlassverluste sowie hohe Schaltgeschwindigkei-
ten. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit wurden verschiedene Gate-
Technologien für GaN-HEMTs entwickelt, darunter Schottky p-GaN Gates,
Gate-Injection-Transistoren (GIT) und Kaskodenstrukturen. Ein zusätzlicher
Vorteil von GaN-HEMTs ist ihr stabiles Verhalten bei tiefen Temperaturen.
Hier zeigen sie sogar verbesserte Eigenschaften wie einen verringerten Ein-
schaltwiderstand, 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 Ladungsträgerumvertei-
lungen verursacht wird. Ein weitesgehend unerforschtes Feld stellt hierbei
der Effekt tiefer Temperaturen auf die Trapping Effekte dar. Um den Ein-
fluss dieser Effekte auf den Dauerbetrieb zu untersuchen soll ein kryogenes
Vollbrückenmodul mit Temperaturtseuerung entwickelt werden.
Aufgabenstellung
Ziel der Arbeit ist es, ein kryogenes Vollbrücken Modul zu entwickeln, dass
in Form einer DAB, LLC oder eines Buck/Boost Converters betrieben wer-
den kann. Zum späteren Vergleich verschiedner Gate-Technologien soll
das Modul möglichst modular gehalten sein und Messpunkte enthalten. Zur
Temperatureregelung soll der Durchfluss von LN2 durch einen zu Vakuum-
isolierten Kühlkörper geregelt werden. Ansteuerung und Regelung erfolgen
über einen Mircocontroller auf einem externen Mainboard