Offene studentische Arbeiten
Die Regelung moderner leistungs-elektronische Konverter benötigt eine breitbandige Messung des Stroms. Durch die steilen Stromflanken und die hohen Spannungen stößt die herkömmliche Messtechnik hier an ihr Limit. Zusätzlich zu der genauen Messung soll diese auch so nieder-invasiv wie möglich ausgeführt werden. Um die Leistungsdichte zudem auch noch hoch zu halten, sollen die Strommessverfahren möglichst kompakt ausgeführt sein.
Art der Arbeit:
BA ❌ FA ✅ MA ✅
Kontakt:
Moderne Leistungstransistoren auf der Basis von Halbleitern mit großer Bandlücke, wie SiC-Leistungs-MOSFETs und GaN-Leistungs-HEMTs, ermöglichen extrem schnelle Spannungs- und Stromschaltvorgänge im Nanosekundenbereich, was zu erhöhten Leistungsdichten in Leistungswandlern führt. Die Steuerung der Wellenformen solcher schnell schaltenden leistungselektronischen Subsysteme stellt eine große Herausforderung dar, ist aber sowohl für die Aufrechterhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit als auch für die Begrenzung der Schaltverluste unerlässlich. In dieser Forschungsarbeit werden verschiedene Techniken beim Entwurf des Gatekreises von Kommutierungszellen auf Basis von GaN-Leistungstransistoren im Hinblick auf die Wellenformgestaltung für einen optimalen Kompromiss zwischen elektromagnetischer Emission und Schaltverlustenergie in Theorie, Simulation und Messung untersucht und mit dem aktuellen Stand der Technik verglichen. Das endgültige Arbeitsprogramm wird in einer bilateralen Planung zwischen dem Tutor und dem Studenten festgelegt und kann Folgendes umfassen: Überblick über den aktuellen Stand der Technik, theoretische Untersuchung von Gateloop-Konzepten für die Wellenformgestaltung, einschließlich mehrstufiger Gatetreiber wie Bosch EG120, nichtlinearer externer Gatewiderstand und neuartiger proprietärer GaN-Leistungstransistoren mit kundenspezifischer Gatestruktur, Simulationen der Schaltwellenform auf Schaltungsebene in ADS, On-Wafer-Messungen neuartiger proprietärer GaN-Leistungstransistoren mit kundenspezifischer Gatestruktur, experimentelle Validierung ausgewählter Gateloop-Konzepte in eigens entworfenen Breadboard-Demonstratoren.
Art der Arbeit:
BA ✅ FA ✅ MA ✅
Vorkentnisse:
- Theoretische Kenntnisse in Leistungshalbleiterbauelementen und leistungselektronischen Schaltungen sind empfohlen.
Kontakt:
Zusammen mit den Leistungstransistoren auf Basis von Halbleitern mit hoher Bandlücke, wie z. B. SiC-Leistungs-MOSFETs und GaN-Leistungs-HEMTs, bilden Keramikkondensatoren die Grundbausteine von schnell schaltenden Hochstrom- und Hochspannungs-Kommutierungszellen und Leistungsmodulen in Schaltnetzteilen mit hoher Leistungsdichte. Die Leistungskondensatoren müssen den Hochfrequenzeigenschaften der Leistungstransistoren folgen, um nicht zum Engpass für die Schaltverlustenergie und das Wärmemanagement zu werden, und es müssen genaue Simulationsmodelle für die Hochfrequenzeigenschaften der Kondensatoren entwickelt werden, um ein zuverlässiges Design schnell schaltender Leistungsmodule zu ermöglichen. Die Arbeiten werden in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart, Deutschland, und dem ENSI Caen, Frankreich, durchgeführt. Das endgültige Arbeitsprogramm wird in trilateraler Planung zwischen den Tutoren und dem Studenten festgelegt und kann Folgendes umfassen: Überblick über den aktuellen Stand der Technik, Mikrowellencharakterisierung von Keramikkondensatoren am ILH, einschließlich des Entwurfs spezieller Testbreadboards, Modellentwicklung, Implementierung in VerilogA und Verifizierung am ENSI Caen, optional: Entwurf eines Leistungsmoduls auf einem Breadboard und experimentelle Validierung am ILH.
Art der Arbeit:
BA ✅ FA ✅ MA ✅
Vorkentnisse:
- Theoretische Kenntnisse in Leistungshalbleiterbauelementen und leistungselektronischen Schaltungen sind empfohlen.
Kontakt:
Weitere Informationen:
Die Arbeit findet in Zusammenarbeit und gemeinsamer Betreuung mit der ENSI Caen in Frankreich statt. Teile der Arbeit können an der ENSI Caen durchgeüfhrt werden.
Durch die Verwendung von GaN HEMTs in modernen Leistungselektroniken können diese leistungsdichter, effizienter und kostengünstiger hergestellt werden. Gerade in der fortschreitenden Elektrifizierung vieler Sektoren zahlt sich eine Effizienzsteigung immens aus. Bei der Herausforderung das volle Potential von GaN basierter Lesitungselektronik auszuschöpfen ergeben sich viele Forschungsfragen in den Bereichen der anwendungsnahen Charakterisierung, hochdynamischen Regelung, integrierten Sensorik und leistungsdichtem Packaging.
Bei Interesse an einer studentischen Arbeit in den genannten Bereichen (gerne auch mit einem eigenen Themenvorschlag) einfach eine E-Mail schreiben oder vorbei schauen.
Art der Arbeit:
BA ✅ FA ✅ MA ✅
Vorkentnisse:
- Interesse an Leistungelektronik/analoge und digitale Regelungstechnik/Schaltungstechnik/PCB-Design
Kontakt:
In der Entwicklung von leistungselektronische Anwendungen müssen diese auf ihr Verhalten in vielen verschiedenen Fehlerfällen untersucht werden. Um die Auswirkungen verscheidener Kurzschlussfälle in einer Anwendung abschätzen zu können, ist gerade für neuartige WBG-Transistoren eine genaue Charakterisierung des einzelnen Transistors für einen Kurzschluss von Nöten. In dieser Arbeit soll ein Prüfstand zur Untersuchung dieses Verhalten entwickelt, aufgebaut und getestet werden.
Art der Arbeit:
BA ❌ FA ✅ MA ✅
Vorkentnisse:
- LE 1 und 2, RT 1 und 2, RPSS 1 und 2
Kontakt:
Die aktuelle Entwicklung von sogenannten bidirektionalen Schaltern auf Basis einer GaN HEMT Struktur zeigt vielversprendende Ansätze. Ein Hindernis einer großflächigen Markteinführung ist jedoch die geeignete Terminierung des Substrates während eines bidirektionalen Umschaltvorgangs ohne dabei die Sperrfähigkeit im ausgeschalteten zustand zu reduzieren. In dieser Arbeit soll daher eine Schaltung zur aktiven Substrattermineirung eines bidirektionalen Schalters entwicklelt und dessen Auswirkung auf das Schaltverhalten und die Spannungsfestigkeit untersucht werden.
Art der Arbeit:
BA ✅ FA ❌ MA ✅
Vorkentnisse:
- RPSS1+2, Mikroelektronik, Schaltungstechnik, Messtechnik
Kontakt:
Galliumnitrid (GaN)-basierte High Electron Mobility Transistoren (HEMTs) spielen eine Schlüsselrolle in der modernen Leistungselektronik, insbesondere in Anwendungen wie Hochfrequenzschaltungen, Leistungswandlern und erneuerbaren Energiesystemen. Die präzise Modellierung dieser Transistoren ist entscheidend, um ihre Leistungsfähigkeit und Effizienz zu maximieren. Ein etabliertes Modell hierfür ist das ASM GaN HEMT-Modell, das speziell für die Beschreibung der komplexen physikalischen Eigenschaften von GaN-Transistoren entwickelt wurde.
Traditionelle Ansätze zur Parameterextraktion, wie manuelle Anpassung, stoßen jedoch oft an ihre Grenzen, insbesondere bei nichtlinearen Systemen wie HEMTs. Reinforcement Learning (RL) bietet eine vielversprechende Alternative, indem es adaptive, datengetriebene Optimierungsstrategien ermöglicht, die die Genauigkeit und Effizienz der Parameterextraktion für das ASM-Modell verbessern könnten.
Art der Arbeit:
BA ❌ FA ✅ MA ✅
Vorkentnisse:
- Grundkenntnisse in Transistormodellierung
- Erfahrung mit Programmierung (idealerweise Python) und maschinellem Lernen
- Interesse an der Anwendung moderner KI-Methoden in der Leistungselektronik
Kontakt:
Kontakt
Dominik Koch
M.Sc.Gruppenleiter Leistungselektronik / Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Benjamin Schoch
M.Sc.Gruppenleiter Hochfrequenzelektronik / Wissenschaftlicher Mitarbeiter