Intelligente Leistungsmodule

Hohe Leistungsdichte und hohe Schaltfrequenzen stellen erhöhte Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik. Durch geeignete Ansätze, wie beispielsweise 3D-Aufbautechnik, können parasitäre Effekte, die durch Gehäuse, Substrate und Layouts verursacht werden, gezielt beeinflusst und reduziert werden. Wärmespreizung und Entwärmung sind durch verdichtete Hot-Spots wichtiger denn je.

Offene studentische Arbeiten

Aufgrund immer steigender Leistungsdichte, Anzahl an Bauelementen und der Verwendung von Wide-Bandgap Halbleitern werden leist-ungselektronische Systeme immer kompakter und komplexer. Um dabei bei immer größer werdender Leistungsdichte eine maximale Effizienz zu erreichen, müssen alle möglichen Optionen des (diskreten) Lösungsraum betrachtet werden. Der Lösungsraum definiert sich bspw. durch mögliche Halbleiter und Passivas oder das Schaltungsträgerdesign.

Um diesen Lösungsraum abzubilden wird sich dabei computergestützten Optimierungs-methoden bedient, welche das Optimum (Pareto-Front) bestimmen.

Ziel dieser Arbeit ist es, einen Workflow für die Bestimmung dieser Pareto-Front mit multi-dimensionaler Simulation für einen DC/DC-Wandler zu implementieren und den Wandler ggf. aufzubauen und zu charakterisieren.

Zeitplan

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (10%)
  • Implementierung Multi-Domänen Opt-imierung (50%)
  • Aufbau und Charakterisierung Wandler (25%)
  • Ausarbeitung & Vortrag(20%)

Vorkenntnisse

  • Erfahrungen in 3D-FEM hilfreich
  • Kenntnisse in Leistungselektronik
  • Sicherer Umgang mit MATLAB o.ä.

Kontakt: Dominik Koch

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Blockdiagramm MTT Sat-Challenge

Das ILH nimmt an der internationalen MTT Sat-Challenge für Studenten und Promovierende mit dem Ziel der Entwicklung neuartiger Hochfrequenzhardware (RF) für Nanosatelliten (CubeSats) teil. Dabei überzeugte das ILH mit der Idee einen Galliumnitrid (GaN) Leistungsverstärker für das W-Band (75-110 GHz) mit einer variablen und monolithisch integrierten DC/DC Spannungsversorgung auf Basis von GaN zu kombinieren, um den Leistungsverstärker noch effizienter, kleiner und schneller zu gestalten. Zusätzlich soll der Verstärker durch digitale Vorverzerrung verbessert werden und mittels eines Leistungsdetektors am Ausgang ein intelligentes Leistungsmodul entstehen.

Das ILH bietet im Rahmen dieser Challenge unterschiedliche Arbeiten für Studenten an:

Themengebiete:

PE

  • Layout Design und Simulation für integrierten DC/DC Wandler
  • Minimierung von Störeffekten eines GaN DC/DC Wandlers für die Versorgung von SSPAs
  • Implementierung einer Regelung für einen GaN DC/DC auf einem weltraumtauglichen Micro-controller

mmW

  • Simulation und Layout für Leistungsdetektor-topologien incl. Kopplerstrukturen in GaN-Technologie.
  • In­be­trieb­nah­me und Erweiterung einer digitalen Pre-Distortion für einen E-Band Verstärker.
  • Untersuchung von effizienzsteigernden Maßnahmen für Leistungsverstärker im E-Band.
  • Untersuchung analoger Pre-Distorion-Techniken für ein mmW Verstärker.
  • Effekt von Störern in der DC-Versorgung auf einen mmW Verstärker.

Kontakt PE: Dominik Koch

Kontakt mmW: Benjamin Schoch

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Eines der wesentlichen Ziele bei der Entwicklung von leistungselektronischen Schaltungen ist die Steigerung des Wirkungsgrades und damit die Reduzierung von Verlustenergie. Dadurch lässt sich die Kühlung des Systems kleiner dimensionieren und der Platzbedarf von Komponenten reduzieren, was zur Materialeinsparung und letztendlich zur Kostenreduzierung und einer ressourcenschonenden Herstellung der leistungselektronischen Baugruppe führt.

Das Thema dieser Arbeit soll die Grenzen aufzeigen, in denen Peltier Elemente in leistungselektronischen Schaltungen sinnvoll zur Energierückgewinnung eingesetzt werden können.

In diesem Kontext ist zu untersuchen, unter welchen elektrischen und thermischen Bedingungen das Peltier Element zu betreiben ist, an welcher Stelle es im Entwärmungspfad am besten zu integrieren ist und wie die erzeugte elektrische Energie in die Schaltung der Gate Ansteuerung eingekoppelt werden kann.

Themengebiete:

  • Peltier Elemente:
    • Simulationsmöglichkeiten
    • Energiegewinnung durch TEGs
    • Grenzwerte?
  • Verluste in Gate Treiber Schaltungen
  • Möglichkeit der Energierückspeisung in den Gate Treiber Schaltkreis
  • Schaltungsdesign zur Wirkungsgraduntersuchung

Kontakt: Jan Hückelheim

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Im Rahmen der Forschung zur Leistungselektronik in der Elektromobilität ist die Optimierung der Leistungsdichte die wesentliche Maßnahme bezüglich verbesserter Nutzerfreundlichkeit, erhöhter Effizienz und verringerter Kosten. Die Leistungsdichte von Batterie-Ladegeräten in passiv gekühlten Gehäusen ist weitestgehend durch die maximale Berührtemperatur an der Oberfläche limitiert. Der Betrieb bei  höheren Leistungen mit mehr Verlusten führt nach einer thermischen Erwärmungsphase zu einer Überschreitung dieser maximalen Temperatur und macht eine Drosselung der Leistung oder eine Vergrößerung der Gehäuseoberfläche nötig.

Durch den Einsatz von Wärmespeichern kann diese Erwärmungsphase jedoch um einige Minuten verlängert werden und eine erhöhte Ladeleistung und somit Leistungsdichte zu Beginn des Ladevorgangs ermöglicht werden. Besonders geeignet scheinen hierbei PCMs, welche eine besonders hohe Wärmekapazität aufweisen. In dieser Arbeit sollen PCMs für den Einsatz als Latentwärmespeicher in der Leistungselektronik untersucht werden.

Inhalte und Ziele

  • Bestimmung geeigneter PCMs zur Wärmespeicherung in der Leistungselektronik
  • Entwurf von Regelkonzepten zur optimalen Ausnutzung von Erwärmungsphase und Wärmespeicher
  • Hardwareaufbau von Leistungselektronik mit und ohne PCMs zum direkten Vergleich der Kühlkonzepte
  • Modellierung des thermischen Aufbaus mittels thermischer FEM-Fluid-Simulation

Kontakt: Julian Weimer

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In der Leistungselektronik beeinflussen mehrere physikalische Domänen die Leistung eines leistungselektronischen Geräts. Die Simulation von Leistungsmodulen wird derzeit mit thermischen, elektromagnetischen und mechanischen eigenständigen Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, wobei die Kopplung mehrerer Domänen manuell und in vereinfachter Form berücksichtigt wird. Um einen höheren Optimierungsgrad zu erreichen, sind schnelle und hochgenaue Multi-Domain-Simulationen notwendig.

Inhalt und Ziele

  • Entwurf eines elektrothermischen Simulationsmodells für eine GaN-Halbbrücke hoher Leistungsdichte
  • Simulationsverifizierung durch thermische und elektrische Messungen
  • Quantifizierung des möglichen Nutzens eines multiphysikalischen Simulationsansatzes
  • Ansätze zur Layout-Optimierung

Kontakt: Julian Weimer

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Trotz des Einsatzes von immer fortschrittlicheren Halbleitern in der Leistungselektronik lassen sich elektrische Verluste kaum vermeiden. Um dennoch hohe Leistungsdichten zu erreichen ist ein leistungsfähiges und zuverlässiges Kühlsystem entscheidend. Dies ist insbesondere kritisch für passiv gekühlte Systeme, welche den Einsatz innovativer Kühlsysteme erforderlich macht.

Zur Vermeidung kritischer Hotspots werden zur Kühlung von CPUs in Laptops und Smartphones immer häufiger Heat Pipes, Vapor Chambers und pyrolytische Graphitbögen (PGS) verwendet. Neben diesen neuen Konzepten und Materialien lassen sich zudem durch 3D strukturierte Materialwechsel der Wärmefluss basierend auf thermischen 3D FEM Simulationen gezielt steuern. Ziel dieser Arbeit ist die thermische Topologie Optimierung für ein hochkompaktes Ladegerät für homogenere Temperaturverteilungen und somit höhere Leistungsdichten unter verwendung innovativer Konzepte und Materialien.

Inhalt und Ziele

  • Thermische 3D FEM Simulation
  • Topologie Optimierung des Wärmeflusses zur Reduktion von Hotspots in einem hochkompakten Ladegerät
  • Vergleich verschiedener Materialkonzepte
  • Thermische und Elektrische Vermessung

Kontakt: Julian Weimer

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Abstract

Um eine maximale Leistungsdichte zu erreichen, werden in der Leistungselektronik typischerweise hohe Schaltfrequenzen mit weich-schaltenden Übergängen (ZVS) kombiniert. Um weich zu schalten ist in der Regel eine Totzeit von einigen zehn Nanosekunden für GaN-HEMTs nötig, welche stark vom Arbeitspunkt abhängt und somit individuell eingestellt werden muss.

Ziel dieser Arbeit ist die Implementierung einer adaptiven Gate-Steuerung für GaN-HEMTs zur automatischen Optimierung der Totzeit für minimale Verluste. Mithilfe eines „Zero-Voltage Switching Detectors (ZVSD)“ soll dadurch die Regelung der optimalen Totzeit für den jeweiligen Arbeitspunkt erfolgen und somit ein manuelles Einstellen der Totzeit überflüssig machen. Dabei gibt es unterschiedliche Konzepte (bspw. Slope-Sensing), welche hinsichtlich ihrer Performance evaluiert werden sollen.

Zeitplan

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (15%)
  • Simulation und Auslegung eines geeigneten Detection Circuits (30%)
  • Aufbau und Vermessung (30%)
  • Ausarbeitung & Vortrag(25%)

Vorkenntnisse

  • Schaltungs-/Layoutdesign in Altium/Eagle
  • Erfahrung in praktischen Aufbauten
  • Kenntnisse in Schaltungssimulation

Kontakt: Dominik Koch

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Abstract

Um Grenzwerte für die Emission von elektromagnetischen Störungen eines Ladegerätes einzuhalten, werden diverse Filter verwendet. Dabei wird in mehrere Arten von Störungsmechanismen unterschieden, welche jeweils einen unterschiedlichen physikalischen Ursprung und Eigenschaften besitzen:

Zum einen treten leitungsgebundene Störungen auf, welche sich über die Anschlusskabel (Richtung Netz oder Ausgang) ausbreiten und meist im niedrigen Frequenzbereich zu finden sind. Zum Anderen spielen abgestrahlte Emissionen bei höheren Frequenzen eine Rolle und sind aufgrund ihres lokalen Auftreten schwerer zu filtern..

In dieser Arbeit sollen vorrangig die leitungsgebundenen Störungen einer PFC-Stufe (AC/DC) mittels Simulationen vorhergesagt und entsprechende Filter (Filter, Gleich- und Gegentaktdrossel) entworfen werden.

Zeitplan

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (15%)
  • Simulation der Ladegerätstruktur (25%)
  • Design geeigneter Filter (25%)
  • Aufbau und Vermessung (15%)
  • Ausarbeitung & Vortrag(20%)

Vorkenntnisse

  • Erfahrungen in Keysight ADS o. CST hilfreich
  • Kenntnisse in Hochfrequenztechnik& Leistungselektronik

Kontakt: Dominik Koch

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In hochfrequenten Schaltwandlern spielen passive Bauelemente (Spulen, Kapazitäten, Transformatoren) eine zentrale Rolle, da ihre Verluste teilweise deutlich höher sind als die der aktiven Bauteile (Transistoren). Dabei ist speziell die Vorhersage der Verluste schwierig, da es kaum effiziente Methoden gibt, um die Verluste bei hohen Frequenzen zu charakterisieren. Auch die Modellierung der Kernmaterialien für hohe Frequenzen und einen weiten Leistungsbereich gestaltet sich in der Regel komplex.

Aus diesem Grund soll in dieser Arbeit ein Design-Flow entwickelt werden, welcher erlaubt Transformatoren und Spulen zu simulieren und modellieren. Dazu sollen verschiedene physikalische Modelle (bspw. für Litze) mit einer magnetostatischen und einer full-wave elektromagnetischen Simulation verbunden werden. In einem ersten Schritt soll ein konventioneller Transformator simuliert werden, um mit den gewonnen Kenntnissen einen planaren Transformator aufzubauen und zu optimieren. Falls nötig sollen die Simulationen durch geeignete Messungen mit dem Netzwerkanalysator unterstützt werden.

Zeitplan:

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (10 %)
  • Simulation und Modellierung eines Transformators (25 %)
  • Design und Simulation eines planaren Transformators (25 %)
  • Vermessung der Transformatoren (optional 20%)
  • Ausarbeitung und Vortrag (20 %)

Vorkenntnisse:

  • 3D-FEM Simulation in CST
  • Verständnis von magnetischen Bauteilen und deren Verlustmechanismen
  • Praktische Erfahrungen im Labor

Kontakt: Dominik Koch

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