Entwurf und Realisierung eines GaN-MOSFET-Schaltverstärkers mit aktiv gedämpftem Ausgangsfilter höherer Ordnung

Abstract

Elektronische Leistungsverstärker werden heute in vielen wissenschaftlichen und industriellen Applikationen eingesetzt. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, werden diese dabei praktisch ausschließlich als geschaltete Leistungsverstärker (Klasse-D Verstärker) realisiert. Der Einsatz neuartiger Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) erlaubt nun eine äußerst attraktive weitere Erhöhung des Wirkungsgrades und/oder eine Steigerung der Dynamik sowie Grenzfrequenz. Diese Arbeit befasst sich mit dem Entwurf und der Realisierung eines Schaltverstärkers mit aktiv gedämpftem LC-Ausgangsfilter höherer Ordnung und einer Schaltfrequenz von 200 kHz auf der Basis von GaN-MOSFETs. Am Beginn werden dazu die Eigenschaften und Vorteile von Wide-Bandgap-Transistoren gegenüber konventionellen Si-MOSFETs beschrieben. Anschließend wird ein Konzept für ein aktiv gedämpftes LC-Ausgangsfilter entworfen. Im Anschluss erfolgt die Erstellung eines mathematischen Modells für den gesamten Schaltverstärker, bestehend aus einem PI-Ausgangsspannungsregler, einer aktiven Filterdämpfung und einem zweistufigen Ausgangsfilter. Mit diesem Modell wird der Schaltverstärker nachfolgend so dimensioniert, dass er bei möglichst großer Bandbreite eine gut gedämpfte Dynamik wie beispielsweise Butterworth oder Bessel Charakteristik aufweist. Die Verifikation des Filter- bzw. Verstärkerentwurfs erfolgt über numerische Simulation mittels Matlab/Simulink und LTspice. Für die praktische Umsetzung des Schaltverstärkers wird ein induktivitätsarmes Layout für Leistungs- und Ansteuer-Stufe der GaN-MOSFETs entwickelt. Zudem wird die Auslegung der LC-Komponenten des Filters durchgeführt und die Schaltung des Analogreglers entworfen. Zum Abschluss werden die Messergebnisse des Testaufbaus analysiert und mit dem Entwurf verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung erreicht wurde.

Today electronic power amplifiers are used in many scientific and industrial applications. For achieving high system efficiency, such systems are implemented almost exclusively as switch-mode power amplifiers (class-D amplifiers). By application of new semiconductor materials like gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC) for the switching elements a further enhancement of efficiency and/or dynamic characteristic and bandwidth is possible. This thesis deals with the design and implementation of a switching amplifier with an actively damped LC output filter of higher order and 200 kHz switching frequency on the basis of GaN MOSFETs. Initially, the properties and advantages of these wide-bandgap transistors compared to conventional Si-MOSFETs are described. Subsequently, a concept for an actively damped LC output filter is reported and described. This section is followed by the generation of a mathematical model for the entire switching amplifier consisting of a PI-type output voltage controller, a switching-stage and a two-stage LC output filter with active damping by capacitor current feed-back. With this model, the switching amplifier is dimensioned in such a way that high bandwidth as well as good dynamic properties as, e.g., Butterworth or Bessel response are achieved. The filter and amplifier design is verified by numerical simulation using Matlab/Simulink and LTspice. For the practical implementation of the switching amplifier, a layout is developed minimizing the stray inductances of the power and driver circuit for the GaN MOSFETs. In addition, the design of the filter¿s LC components is performed and the circuit of the analog controller is designed. Finally, the measurement results of the test set-up are analyzed and compared to the numerical simulation, showing a good match of the results.