Wide-Bandgap Leistungshalbleiter + Systeme

GaN-HEMTs ermöglichen hohe Schaltgeschwindigkeiten und geringe Leitverluste und sind daher vielversprechende Bauelemente für zukünftige leistungselektronische Anwendungen. Während des Hochspannungsbetriebs kann Ladungstrapping zu einem Anstieg des dynamischen RDS(on) führen, der ein wichtiger Parameter für die Bewertung von Bauelementeeigenschaften und Zuverlässigkeit ist.

Herkömmliche Messungen des dynamischen RDS(on) basieren meist auf kurzen Belastungs- und Messsequenzen. Die elektrische Belastung eines Transistors bei längerem, wiederholtem Schaltbetrieb kann jedoch deutlich von diesen Bedingungen abweichen. In dieser Arbeit wird daher die Entwicklung des dynamischen RDS(on) unter anwendungsnaher Schaltbelastung experimentell untersucht. Der Einfluss von Schaltfrequenz, Tastverhältnis, Spannung, Strom und Temperatur wird analysiert und ein auf ASM-HEMT basierendes Trapping-Modell zur Beschreibung und Vorhersage des beobachteten dynamischen Verhaltens entwickelt.

Art der Arbeit:

BA ✅ FA ✅ MA ✅

Vorkenntnisse:

• Grundkenntnisse in Halbleiterbauelementen und Leistungselektronik
• Erfahrung mit elektrischen Messungen und Laboraufbauten
• Grundkenntnisse in Schaltungssimulation von Vorteil
• Interesse an GaN-Leistungshalbleitern und Zuverlässigkeit
• Selbstständige Arbeitsweise

Kontakt:

Aline Reck

Monolithische bidirektionale GaN-Transistoren (MBDS) ermöglichen das Sperren von Spannungen und die Stromleitung in beiden Richtungen und bieten damit vielversprechende Möglichkeiten für zukünftige leistungselektronische Anwendungen. Der dynamische Einschaltwiderstand ist ein wichtiger Parameter zur Untersuchung von Trapping-, De-Trapping- und temperaturabhängigen Leitungseffekten. Bei seiner Messung reduziert eine Clipper-Schaltung die Bauelementspannung nach einer Hochspannungsbelastung schnell, sodass die niedrige Einschaltspannung präzise erfasst werden kann. Bestehende Messaufbauten des ILH sollen daher für die Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von MBDS-Bauelementen in beiden Stromflussrichtungen angepasst und erweitert werden.

Art der Arbeit:

BA ✅ FA ✅ MA ✅ 

Vorkentnisse:

• Grundkenntnisse in Schaltungstechnik und Leistungselektronik
• Erfahrung mit Platinen-/PCB-Design von Vorteil
• Erfahrung mit elektrischen Messungen und Laboraufbauten
• Interesse an schnellen Leistungshalbleitern und messtechnischen Fragestellungen
• Selbständiges Arbeiten

Kontakt:

Aline Reck

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

Ziel der Arbeit ist der Entwurf, Aufbau und die experimentelle Untersuchung einer GaN-basierten Halbbrücke für Schaltfrequenzen im Bereich von 1 bis 5 MHz. Für den Betrieb der Halbbrücke mit einem LC-Filter oder einer LLC-Anordnung sollen Luftspulen (und optional ein einfacher Lufttransformator) mit unterschiedlichen Aufbau- und Verbindungstechniken entworfen, gefertigt und messtechnisch charakterisiert werden.
Der elektromagnetische Entwurf erfolgt mithilfe von FEM-Simulationen (vorzugsweise 2D). Die entwickelten Luftspulen und -transformatoren werden anschließend mit der GaN-Halbbrücke betrieben und hinsichtlich Verlusten, Resonanzverhalten sowie ihrer praktischen Umsetzbarkeit im Multi-MHz-Bereich untersucht.
Die Arbeit vermittelt sowohl Grundlagen der Multi-MHz-Leistungselektronik als auch praktische Erfahrungen im Aufbau, in der schrittweisen Inbetriebnahme und in der experimentellen Charakterisierung leistungselektronischer Schaltungen. Darüber hinaus wird der Einsatz von Simulation als integraler Bestandteil moderner Entwicklungsprozesse vermittelt

Art der Arbeit:

BA ✅ FA ✅ MA ✅ 

Vorkentnisse:

• gute Kentnisse in Leistungselektronik 1 und Leistungselektronik 2
• Grundkenntnisse in Schaltungssimulation und elektrischer Messtechnik
• Erfahrung mit MATLAB/Simulink, LTspice oder PLECS von Vorteil

Kontakt:

Michael Bosch, Jeremy Nuzzo oder Dominik Koch

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

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.