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.
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.
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
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
Benjamin Schoch
M.Sc.Wissenschaftlicher Mitarbeiter