Wide-Bandgap Leistungshalbleiter + Systeme

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:

Michael Bosch

Durch die Verwendung von schnell-schaltenden GaN HEMTs ist es möglich, sowohl die Spannungsversorgung als auch die Verstärkerstufe in einem Audioverstärker effizienter und performanter auszuführen.  Aktuelle Verstärker, welche auf Silizium und anderen Linearverstärker-Topologien basieren, weißen oft eine geringe elektrische Effizienz und Leistungsfähigkeit auf. Durch die Verwendung einer Klasse-D Verstärkerstufe in Kombination mit einem mehrphasigen Boost-Converter sollen die Effizienz, die Leistungsfähigkeit und der Bauraum optimiert werden. Durch die mehrphasige Ausführung der Booststufe können sowohl die Induktivitäten, als auch die benötigten Transistoren kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden. Weiterhin soll die so bereitgestellte Spannung durch getaktete Vollbrücken-Konfiguration möglichst verzerrungsarm in ein hörbares Audiosignal umgewandelt werden. 

Art der Arbeit:

BA ✅ FA ✅ MA ✅ 

Vorkentnisse:

• LE 1+2 und RT 1+2
• RPSS 1+2
• Programmierkenntnisse für µC

Kontakt:

Michael Bosch

Bei einem T-Type-Inverter handelt es sich um eine sogenannte  einen 3-Level-Topologie. Im Vergleich zu einer klassischen Halbbrücke können drei diskrete Potentiale am Schaltknoten eingestellt werden. Dies hat die  Vorteil einer deutlich reduzierten THD des Ausgangsstroms bei einer gleichzeitig höheren Effizienz. Durch die Verwendung von GaN HEMTs kann diese Topologie in der Theorie bei vergleichsweise hohen Schaltfrequenzen betrieben werden. Um ein sauberes Schaltverhalten zu erhalten ist jedoch ein PCB-Design nötig, welches die parasitären Elemente wie die Leitungsinduktivität und die Schaltknotenkapazität gering hält. So soll gewährleistet werden, dass das volle Potential von GaN HEMTs ausgeschöpft wird.

Ziel dieser Arbeit ist es mithilfe einer FEM-Simulation verschiedene PCB-Konzepte simulativ miteinander zu vergleichen und diese dann zu optimieren. 

Art der Arbeit:

BA ❌ FA ✅ MA ✅ 

Vorkentnisse:

• Leistungselektronik 1
• Idealerweise KiCAD und/oder Altium
• Grundverständnis von FEM-Simulationen

Kontakt:

Michael Bosch

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:

Ingmar Kallfass

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:

Ingmar Kallfass

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.