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6-2017

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Stromversorgung Bild 5:

Stromversorgung Bild 5: Wechselrichter-Demoboard, das die kompakteren Layouts widerspiegelt, die GaN-Halbleiter gegenüber Silizium-IGBTs ermöglichen und 1200 V sowie nativ selbstsperrende HEMTs. Dies übrigens nicht, um höhere Geschwindigkeiten gegenüber der MOSFET-HEMT-Kaskode zu erreichen, sondern um die Chipfläche und Bauteileanzahl und damit die Kosten zu reduzieren und die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Bald auch ohne Kaskode Schaltfrequenzen von 40 MHz und mehr in Schaltnetzteilen, wie mit selbstsperrenden HEMTs ohne Kaskode erreichbar, werden auf absehbare Zeit noch nicht Realität, so Zan Huang von transphorm, da dies nicht nur bei den Halbleitern, sondern auch bei den passiven Bauelementen entsprechend kürzere Verdrahtungswege und damit kompaktere Bauteile erfordert. Für die hohen Leistungsdichten bei solch hohen Frequenzen geeignete Ferrite und Keramiken stehen gegenwärtig noch nicht zur Verfügung. Zudem können die höheren Frequenzen gar nicht in allen Schaltungen genutzt werden. Inverter lassen sich mit geeigneten passiven Bauelementen so kleiner bauen, für reine PFC-Schaltungen sind die höheren möglichen Frequenzen dagegen irrelevant. Bidirektionale Wandler nutzen allerdings dieselbe Baugruppe für Inverter und PFC. MOSFET-HEMT-Kaskode Für die aktuell möglichen Konfigurationen ist die MOSFET-HEMT- Kaskode dagegen mehr als ausreichend, ebenso wie die bedrahteten Gehäuseformen TO-220 und TO-247, die sich bewährt haben und so eben die hohe Zuverlässigkeit der transphorm-Produkte auch nach JEDEC-Spezifikationen gewährleisten. Nichtsdestotrotz werden 2017 neben dem bereits existierenden HEMTs im PQFN-Gehäuse weitere SMD-Bauformen kommen, wie SO-8/SO-16, TO-263 (D2PAK), TO-268 (D3PAK) und andere SMT- Gehäuse. Später folgen komplette IPM-Module wie beispielsweise Halbbrücken. Die Entwicklung der GaN-Halbleiter schreitet schnell fort. SiC (Siliziumkarbid) in HF-Verstärkern wurde in gerade drei Jahren durch GaN abgelöst. GaN in Leistungshalbleitern gilt noch als gegenüber Silizium- Technologie eingeschränkt, doch nach den 600-V-Baureihen folgen die 1200-V-Varianten, die damit ein Pendant zur gängigsten IGBT- Sperrspannungsklasse darstellen. Ebenfalls interessant sind Vier-Quadranten-HEMT-Schalter, die bislang übliche, weit komplexere Konstruktionen ersetzen können. Die etwas höheren Preise für GaN-Halbleiter schrecken zwar noch manchen Entwickler von deren Anwendung ab. Marktforscher gehen jedoch davon aus, dass ein 15-A-GaN-HEMT bald preislich mit seinem Silizium-Pendant gleichziehen kann und schon jetzt durch die technischen Vorteile punktet. Musteraufbauten Vorhandene Schaltungslayouts sind für die höheren Schaltgeschwindigkeiten und Taktfrequenzen der GaN-HEMTs oft ungeeignet, können durch zu hohe und womöglich noch ungewollt gekoppelte parasitäre Induktivitäten zu Fehlfunktionen und im Extremfall zur Zerstörung der Halbleiter führen. Um dem Entwickler frustfreies Testen der GaN-HEMTs mit unterschiedlichen Wandlertopologien zu ermöglichen, hat transphorm deshalb eigene Musteraufbauten entwickelt. Selbstverständlich stehen Layout und Stücklisten auch einzeln zur Verfügung, doch schon zur eingehenden Beratung des Entwicklers über die „Do‘s und Don‘ts“ der flinken Schalter werden diese erst bei direktem Kontakt herausgegeben und nicht zum allgemeinen Download angeboten, um nicht durch vermeidbare Fehler oder eigene Anpassungen schlechte Performance oder Ausfälle zu erzeugen. Einsatzbereiche Der Photovoltaik-Wechselrichter in Bild 5 stellt ein typisches Einsatzgebiet von GaN-Halbleitern dar. Hier sind sowohl der höhere Wirkungsgrad als auch das kleinere Volumen von Vorteil. Yaskawa entwickelte dazu mit transphorm-GaN- HEMTs eine Lösung, die mit 50 kHz Taktfrequenz und einer Reduzierung von Größe und Verlusten um 40% punktete. Demoboards Ein Demoboard ermöglicht Entwicklern das Evaluieren einer derartigen Lösung in Photovoltaik- Wechselrichtern oder USV-Anlagen. Es enthält beispielsweise vier als Vollbrücke konfigurierte GaN- HEMTs, die mit 100 kHz oder noch schneller schalten können, um aus 400 V DC 100 bis 240 V AC zu erzeugen. 1000 W Ausgangsleistung sind mit Konvektionskühlung erreichbar, mit Lüftung auch 1500 W. Bei einem anderen Demoboard wurde eine Stromversorgung mit Universal-Wechselstromeingang (100 bis 240 V AC ohne Umschalten) für einen typischen „All-in-One“-Computer mit 250 Watt, also eine eher preissensitive Consumer-Anwendung, von Standard-Silizium-Halbleitern auf GaN umdesignt. Es nutzt drei GaN-HEMTs in der PFC-Schaltung und den resonanten Brückenkreisen. In letzteren ermöglicht die äußerst niedrige Ausgangskapazität der GaN-HEMTs eine schnellere Umladung und damit 200 kHz Taktfrequenz bei verringerten Verlusten. Tatsächlich verringerten sich die Größe um 45%, wie in Bild 6 zu sehen, und die Verluste um 30%, was einen Wirkungsgrad von über 95% ermöglichte: Das Netzteil kann 12 V Ausgangsspannung bei bis zu 20 A liefern, wobei am 230-V-Netz bis zu 95,4% Wirkungsgrad erreicht werden. Literatur [1] Transphorm-Halbleiter bei HY-LINE-Power Components www.hy-line.de/transphorm • HY-LINE Power Components www.hy-line.de/power Bild 6: Referenzboard für 250-W-All-in-One-Computernetzteil im Vergleich zur heute verbauten Silizium-Lösung 18 PC & Industrie 6/2017

Stromversorgung Hochwertige Open-Frame-Netzteile mit zwei oder drei Ausgängen SE Spezial-Electronic GmbH www.spezial.com Erhöhte Isolations- und EMV-Anforderungen Ideal für Anwendungen mit erhöhten Isolations- und EMV-Anforderungen geeignet ist das neue Open- Frame-Netzteil LO10- 26D0512-04L des chinesischen Herstellers Mornsun, das SE Spezial-Electronic erstmals auf der embedded world vorstellte. Dreiphasen-Vierleiter- Systemen Das für 4.000 V AC Isolationsspannung ausgelegte, mit Kurzschluss-, Überstrom- und Überspannungsschutz ausgestattete Netzteil erfüllt neben der Norm IEC/ EN61000 (EFT ±4 kV, Surge ±2 kV) Norm auch CISPR22/EN55022 CLASS B für einstrahlungsbedingte und leistungsgeführte Störgrößen. Mit seinem extrem großen Eingangsspannungsbereich von 57 bis 528 V AC bzw. 80 bis 745 V DC und zwei Ausgängen (5,1 V DC /1,2 A bzw. 12 V DC /0,4 A) wird es allen Anforderungen von Dreiphasen-Vierleiter-Systemen gerecht. Ladestationen, industrielle Steuerungen und Industrie- Anwendungen in rauen Umgebungen sind die bevorzugten Einsatzgebiete des Open-Frame-Netzteils LO20-10C0512-01, das neben drei Ausgängen mit 5 V/500 mA, 12 V/1.200 mA und -12 V/150 mA eine Ausgangsspannungs-Genauigkeit von ≤±3% und eine Lastregelung von ≤±5% bietet. Der Eingangsspannungsbereich reicht von 165 bis 264 V AC (230 bis 370 V DC ), die Isolationsspannung beträgt 3.000 V AC , der Wirkungsgrad bis zu 78%. Wie beim Netzteil LO10- 26D0512-04L sind auch beim LO20-10C0512-01 Kurzschluss-, Überstrom- und Überspannungsschutz integriert. Ausführliche Informationen zu den Mornsun-Netzteilen LO10-26D0512- 04L und LO20- 10C0512-01 können unter power@spezial.com angefordert werden. ◄ LED-Treiber für intelligente Sensor- und Steuerungsaufgaben Die NPF-Familie von Mean Well, im Vertrieb von Emtron electronic, ist bekannt für intelligente, zuverlässige LED-Treiber-Lösungen. Seit ihrer Vorstellung ist diese Serie im breiten Einsatz und wurde vor allem für LED-Innenbeleuchtungen eingesetzt. Um dem wachsenden Trend nach intelligentem Licht-System- Design gerecht zu werden, stellt Mean Well eine erweiterte Modelvariante, NPF-120DBE, vor. Diese bietet einen zusätzlichen Ausgang mit 12 V bei 200 mA, zur Versorgung entsprechend intelligenter Steuerungs- und Sensoraufgaben. Die Modelle haben die gleichen Eigenschaften wie die übrigen NPF-120D- Modelle. Sie sind mit LED-Ausgangsspannungen von 12 - 54 Volt erhältlich. Der Leistungsfaktor ist größer als 0,9. Die Startzeit beträgt weniger als 500 ms und der Ruhestromverbrauch, bei dunkel gedimmter LED, beträgt weniger als 0,5 Watt. Sie sind mit der Schutzklassifizierung IP67 verfügbar. Darüber hinaus ist auch eine „HL“-Ausführung für den Einsatz in gefährdeten Bereichen erhältlich. Der „Hilfsausgang“ liefert bei 12 V einen Ausgangsstrom bis zu 200 mA und ist damit bestens gerüstet für intelligente Lichtsensoren und Steuerungen, ohne zusätzliches Netzteil. • EMTRON electronic GmbH www.emtron.de PC & Industrie 6/2017 19

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