Magnetische Komponenten für die Leistungselektronik im Megahertz-Bereich am Beispiel eines LLC-Wandlers

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Böcker
• Fachliche Zuordnung: Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467840481

Neuartige leistungselektronische Siliciumcarbid-(SiC-) oder Galliumnitrid-(GaN-)Halbleiterschalter erlauben aufgrund geringerer Schaltverluste eine erhebliche Steigerung der Schaltfrequenz, was zur Verringerung von Baugröße und Kosten der magnetischen Bauteile und damit des gesamten Konverters führt. Derzeit werden GaN-bestückte industrielle Konverter mit Leistungen im Kilowattbereich bei Schaltfrequenzen von ca. 50 bis 250 kHz betrieben. Es ist absehbar, dass schon bald Schaltfrequenzen im Megahertzbereich erreicht werden. Bei solchen Frequenzen sind jedoch in den magnetischen Bauelementen Phänomene zu erwarten, die bislang vernachlässigt werden konnten, nämlich die Ausprägung eines Skineffekts nicht nur in der Wicklung, sondern auch im Kern, als auch Resonanzen bzw. stehende Wellen innerhalb des Kerns. Beide Phänomene sind aus Sicht des konventionellen Entwurfs magnetischer Bauelemente nicht willkommen. Im Vorhaben soll daher zum einen untersucht werden, mit welchen zusätzlichen Maßnahmen diese störenden Effekte weitestgehend vermieden werden können. Dazu zählen die geometrische Formgebung des magnetischen Kerns sowie die geschickte Platzierung transversaler und longitudinaler Luftspalte. Zum anderen soll untersucht werden, ob die Resonanzeffekte in diesem Frequenzbereich nicht sogar von Nutzen sein können. Beispielsweise kann mit Hilfe einer Reaktanz, die aufgrund einer solchen Resonanz überproportional mit der Frequenz wächst, in einem LLC-Konverter vermieden werden, dass in der kritischen Situation von Schwachlast und kleinem Ausgangs-Eingangs-Spannungsverhältnis die Schaltfrequenz erheblich angehoben werden muss. Auch diese Hypothese soll im Vorhaben untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen