NanoMacs: Hocheffiziente Konverter für Netzkopplung und galvanische Isolation mit nanokristallinen Magnetkernen

Partner Call offen bis: 22. August 2024

Projektstart: September 2024

Das Projekt soll aufzeigen, wie Filterelemente ausgelegt werden müssen, um die Unterdrückung des gesamten Störfrequenzspektrums bereits in jedem einzelnen der eingesetzten Bauteile zu gewährleisten. Im Design sollen dafür die Eigenschaften bezüglich der schaltfrequenten Ripple sowie der EMV-relevanten Frequenzen in kombinierter Form optimiert werden. Diese Aufgaben werden in folgende Arbeitspakte gegliedert:  

• Design der Magnet-Komponenten für die ausgewählten Topologien: Anhand von ausgewählten Topologien werden die Filterkreise bzw. Resonanzkreise für jeweils mindestens zwei unterschiedliche Magnetmaterialien ausgelegt. Die Konverter werden dazu vollständig modelliert, um sie in unterschiedlichen Arbeitspunkten funktionell als auch in Bezug auf die zu erwartenden EMV-Eigenschaften zu analysieren. Als Ergebnis werden bereits detaillierte Schaltungskonzepte erwartet, die als Basis für die nachfolgende Optimierung dienen.     
• 3D-FEM basierte Optimierung sowie Board-design (für Filter und Resonanzkreis): In einer zweiten Phase des Projektes sollen die Magnetkomponenten mittels 3D-FEM Simulationen optimiert werden. Dies umfasst zum einen die Minimierung der Verluste (im Kern und in den Wicklungen) als auch die erzielbare Bandbreite in Bezug auf die Unterdrückung der HF-Störsignale. Beide Aspekte dienen als Hauptkriterien für die vergleichende Beurteilung der unterschiedlichen Magnetmaterialien, die auf der Ebene des Gesamtsystem (Powerstack-DC-link- Ausgangsfilter) erfolgen soll.
• Evaluierung mittels SiC-Konverter Testumgebung: SAL verfügt aus vorangegangen Projekten über generische SiC-Powerstacks, die für den Testaufbau zur praktischen Evaluierung der Magnetkomponenten eingesetzt werden sollen. Dank deren flexibler Einstellung von Pulsmustern und Schaltfrequenzen (bis 500kHz) können damit auch Tests in Grenzbereichen durchgeführt werden. Eine besondere Herausforderung in der Evaluierung wird die messtechnische Aufteilung der Verluste auf die einzelnen Komponenten sein. Wegen der hohen Schaltfrequenzen bzw. Schaltflanken werden auch die vorhandenen modernen Power-Analyzer an Grenzen stoßen.  

• Umfassende Simulationsmodelle für unterschiedliche Leistungskonverter-Topologien  
• Simulationsunterstützte Auslegung unterschiedlicher Filterelemente
• Evaluierung der Simulationsmodelle durch Vergleich mit den Messergebnissen   
• Klare Erkenntnisse über Vor- und Nachteile von Filterelementen mit unterschiedlichen Magnetmaterialien in Bezug auf das Konverter-Gesamtsystem