Ontwerp van een inductieve verhitter op basis van GaN HEMTs

Probleemstelling:

Hedendaagse vermogen-elektronische schakelingen maken bijna uitsluitend gebruik van silicium als halfgeleidend materiaal. De silicium-technologie bereikt echter langzaamaan zijn hoogtepunt. Wide-bandgap halfgeleiders zoals GaN en SiC zijn hét alternatief voor silicium, aangezien met deze materialen transistoren kunnen gemaakt worden die zeer hoge spanningen, zeer hoge stroomdichtheden en hoge bedrijfstemperaturen aankunnen.
Binnen IMEC werkt men momenteel aan een geavanceerde technologie waarmee GaN HEMTs (High Electron Mobility Transistor) boven op een grote silicium wafer kunnen worden gefabriceerd.
Het bekendste voorbeeld van een inductieve verhitter is wellicht de inductiekookplaat die in steeds meer keukens aanwezig is, maar er zijn ook diverse industriele toepassingen van inductieve verhitters. De opmerkelijkste eigenschappen van deze inductieve verhitters zijn een goede energieoverdracht en een werkoppervlak op een veilige, lage temperatuur indien geen geschikt recipient aanwezig is. Bij de praktisch realiseerbare schakelfrequenties van de huidige generatie inductiekookplaten met silicium-vermogenstransistoren is het nodig om materialen met een vrij lage geleidbaardheid (zoals staal) te verwerken in de kookpotten om een voldoende energieoverdacht te bekomen.

Doelstelling:

De doelstelling van deze masterproef is het ontwerpen en bouwen van een inductieve verhitter op basis van de door IMEC ontwikkelde GaN HEMTs. Doordat de GaN HEMTs geschikt zijn voor schakelende toepassingen op veel hogere frequenties dan de traditionele silicium-vermogenstransitoren is het mogelijk om materialen met een veel hogere geleidbaarheid (zoals aluminium en koper) te verhitten. Aangezien voor deze GaN HEMTs momenteel nog geen geschikte driver-ICs voorhanden zijn zal de volledige aansturing moeten opgebouwd worden uit discrete componenten. Na  het ontwerp van het schema en de nodige simulaties van het circuit zal een bijhorende PCB gelayout en gefabriceerd worden. Daarnaast moet eveneens een geschikte spoel geselecteerd of ontworpen worden voor de overdracht van de energie van het circuit naar het te verwarmen voorwerp, waarna de volledige inductieve verhitter kan worden gebouwd en uiteindelijk experimenteel geëvalueerd.

Trefwoorden:vermogenselektronica, GaliumNitride, GaN, HEMT, circuitontwerp

Locatie:

Ardoyen CMST + thuis.