Wide-Bandgap Leistungshalbleiter + Systeme

GaN-HEMTs werden dank ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer Leistungsdichte zunehmend in der Leistungselektronik von Satelliten eingesetzt. Ihre Robustheit gegenüber Strahlung ist jedoch nach wie vor ein kritischer Punkt bei der Qualifizierung für den Weltraum. Insbesondere durch hochenergetische Teilchen verursachte Einzelereignis-Effekte (SEEs) können zu dauerhaften Verschiebungen von Parametern und einer Verschlechterung des Bauelementeverhaltens führen, wie z. B. IV-Kennlinien, Leckströme und Schwellenspannungen.

Eine genaue, kompakte Modellierung dieser strahlungsbedingten Verschlechterungen ist unerlässlich, um eine Vorhersage der Bauelementeleistung unter Strahlungsbelastung auf Schaltungsebene zu ermöglichen. Das ASM-HEMT-Modell bietet zwar eine solide, physikalisch begründete Beschreibung von GaN-HEMTs, berücksichtigt aber nicht die Strahlungseffekte. Ziel dieser Arbeit ist es, das Modell um strahlungsspezifische Gleichungen und Parameter zu erweitern, um die Simulation des Bauelement- und Schaltungsverhaltens sowohl unter nominalen als auch unter bestrahlten Bedingungen zu ermöglichen.

Art der Arbeit:

BA ✅ FA ✅ MA ✅ 

Vorkentnisse:

• Grundkenntnisse in Transistormodellierung
• Fähigkeiten in der Literaturrecherche, Datenverarbeitung, Analyse von IV-Charakteristiken zur Beurteilung der Degradationsausbreitung
• Interesse am Thema und selbständiges Arbeiten

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:

Diego Kuderna Melgar

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.

Gallium-Nitrid (GaN)-Leistungshalbleiter bieten hohe Schaltgeschwindigkeiten, geringe Verluste und eine kompakte Bauweise und sind damit ideal für Inverter der nächsten Generation von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC). Um jedoch eine optimale Leistung zu erreichen, ist eine gezielte Auslegung von Filtern erforderlich, um den Wirkungsgrad zu steigern, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu verbessern und Soft-Switching zu ermöglichen.

In dieser Arbeit sollen geeignete LC-Filterkonzepte entwickelt, simuliert und bewertet werden, um das Schaltverhalten und die Gesamtleistung von GaN-basierten BLDC-Invertern zu optimieren. Ziel ist es, durch entsprechend ausgelegte Resonanz- oder Kommutierungsnetzwerke Zero Voltage Switching (ZVS) bzw. Zero Current Switching (ZCS) zu realisieren.

Art der Arbeit:

BA ✅ FA ✅ MA ✅ 

Vorkentnisse:

• Leistungselektronik 1
• Grundkenntnisse in Schaltungssimulation und elektrischer Messtechnik
• Erfahrung mit MATLAB/Simulink, LTspice oder PLECS von Vorteil

Kontakt:

Jeremy Nuzzo