Offene studentische Arbeiten
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)
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.
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.
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
M.Sc.Gruppenleiter Leistungselektronik / Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Benjamin Schoch
M.Sc.Wissenschaftlicher Mitarbeiter