Intelligente Leistungsmodule

Hohe Leistungsdichte und 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

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.

 

Kontakt: Michael Bosch

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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.

Ziel dieser Arbeit ist die Evaluierung, Simulation, Auslegung und der Aufbau eines, auf einer mehrphasigen Booststufe basierendem, Audioverstärker für den Frequenzbereich zwischen 1 – 20 kHz. Grundlage hierfür soll die Regelung der Signale mittels eines Mikrocontrollers sein. 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.

Kontakt: Jeremy Nuzzo, Michael Bosch und Tobias Fink

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Der sich entwickelnde Markt für Elektrofahrzeuge erfordert Leistungselektronik mit hohem Wirkungsgrad, hoher Leistungsdichte und hoher Zuverlässigkeit. Im Rahmen des Projektes von KDT Archimedes werden 1200 V SiC Bauelemente, die in Traktionsumrichtern eingesetzt werden, auf ihre Zuverlässigkeit untersucht. Das Projekt zielt darauf ab, extrem lange Betriebsdauern von 120.000 h und mehr in einem überschaubaren Zeitrahmen zu verifizieren, was große Beschleunigungsfaktoren erfordert, ohne die zugrunde liegenden Ausfallmechanismen zu verändern. Während für die ausgereifte Technologie der Silizium-Leistungsbauelemente ausgefeilte Lebensdauermodelle existieren, sind solche Modelle für SiC aufgrund der unterschiedlichen Technologie und Physik wegen der höheren elektrischen Felder und Stromdichten nur eingeschränkt anwendbar.
In dieser Arbeit sollen degradationsempfindliche elektrische Parameter für SiC-MOSFETs untersucht werden. Dazu werden neue Messschaltungen auf Basis bestehender Methoden entwickelt werden. Die Datenerfassung erfolgt in Power-Cycling-Prüfständen. Basierend auf den Spannungen, die während der Power-Cycling-Tests induziert werden, soll der Gesundheitszustand des Halbleiterbauelements durch in-situ-Messungen bestimmt werden.

Hilfreiches Vorwissen:
- RPSS 2
- PE 2/LE 2
- Sensorik und Messtechnik
- Programmierung von Mikrocontrollern (STM32)

Kontakt: Tobias Fink

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Zur potentialfreien Energieübertragung haben sich resonante Topologien bewährt. Diese können mit sehr hohen Schaltfrequenzen betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass der benötigte Transformator deutlich kleiner ausgeführt werden kann. Um hohe Schaltfrequenzen realisieren zu können sind Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke besonders geeignet. Bauelemente aus diesen Materialien weisen kleinere parasitäre Kapazitäten und geringere Durchlasswiderstände auf. Galliumnitrid ist somit für diesen Anwendungstyp prädestiniert. Dual Active Bridges (DABs) kombinieren zwei, durch einen Transformator gekoppelte, Vollbrücken und einen primärseitigen Schwingkreis um eine hochfrequente Wechselspannung zu übertragen. Die sekundärseitige Vollbrücke wird zum verlustarmen Gleichrichten der übertragenen Wechselspannung genutzt. DABs kommen beispielsweise in Ladegeräten aller Art zum Einsatz. Ihre Leistungsklasse reicht dabei von wenigen Watt in Handyladegeräten bis zu einigen Kilowatt in On-Board-Ladegeräten von Elektroautos.

Zeitplan

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (10%)
  • Simulation, Dimensionierung und Optimierung für eine ausgewählte Leistungsklasse (25%)
  • Design, Aufbau und Inbetriebnahme eines Demonstratoraufbaus (50%)
  • Ausarbeitung & Vortrag (15%)

Vorkenntnisse

  • Inhalte der Vorlesung LE 2
  • Inhalte der Vorlesungen RPSS 1/RPSS 2 hilfreich
  • Erfahrungen im Umgang mit LTspice und MATLAB/Simulink/PLECS hilfreich
  • Kenntnisse über PCB-Design hilfreich

Kontakt: Jeremy Nuzzo

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Für leistungselektronische Anwendungen werden aufgrund steigender Schaltfrequenzen immer höhere Anforderungen an die Signal-generierung und -verarbeitung gestellt. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen die Verwendung kleinerer passiver Bauteile, erfordern aber schnellere Regelsysteme. Um ein derartiges Regelsystem realisieren zu können, wird ein Regel- und Ansteuersystem benötigt,  das den gestiegen Anforderungen gewachsen ist.

In dieser Arbeit kommt ein Mikrocontrollerboard basierend auf einem hochmodernen 32 Bit, 550MHz Prozessor zum Einsatz.

Ziel der Arbeit ist es, Systeme mit minimal 1µs Zeitkonstante durch die implementierten Regelalgorithmen regeln zu können. Dazu sollen geeignete Einleseroutinen für die Sytemgrößen, die erforderlichen Regelalgorithmen, die Ausgabe der Stellgröße z.B. über Pulsweitenmodulation oder zeitdiskrete Schalt-zustandsänderung, sowie Kommunikations-schnittstellen mit Desktop-PCs - beispielsweise über UART - erstellt und getestet werden.

Die Erprobung des entwickelten Systems soll in einem bestehenden Prüfstand für aktive Belastungswechseltests stattfinden. Die verschiedenen Regelverfahren sollen in diesem Prüfstand angewendet und verglichen werden.

Kontakt: Tobias Fink

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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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Kontakt

Dieses Bild zeigt Dominik Koch

Dominik Koch

M.Sc.

Gruppenleiter Leistungselektronik / Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Dieses Bild zeigt Benjamin Schoch

Benjamin Schoch

M.Sc.

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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