Hallo Felix,
wir freuen uns riesig, dass Du unsere Mannschaft verstärkst und uns bereits seit drei Jahren als Werkstudent tatkräftig unterstützt hast. Deine Begeisterung für die Hardware und Deine frischen Ideen haben nicht nur während Deines Studiums überzeugt, sondern auch zu einer festen Rolle bei uns bei Helbako geführt. Herzlichen Glückwunsch zum Abschluss Deines Masterstudiums!
Im Folgenden erzählt Felix in seinen eigenen Worten, wie er seine Masterarbeit bei Helbako erlebt hat, welche Herausforderungen er meistern musste und welche Erfahrungen er für seine berufliche Zukunft mitnimmt.
Wieso ist die Masterarbeit mit diesem Thema für die Helbako GmbH von Relevanz?
In den letzten Jahren hat die Anzahl an Fahrerassistenzsystemen in den KFZs stark zugenommen und wird in den kommenden Jahren immer weiter ansteigen. Da diese sicherheitsrelevante Funktionen übernehmen, muss eine redundante und sichere Spannungsversorgung der Steuergeräte sichergestellt werden. Dies wird über den Einsatz einer zweiten Batterie gewährleistet, welche über einen DCDC-Wandler gespeist wird. Es wird also ein weiteres 12V-Bordnetz im Kfz integriert, wobei der DCDC-Wandler die Roller der Leistungsversorgung übernimmt. Er ersetzt die Lichtmaschine für das zweite Bordnetz im Kfz. Dabei muss dieser hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Sicherheit erfüllen.
Wie war der Ablauf der Masterarbeit in der Entwicklungsabteilung der Helbako GmbH?
In meinem Fall habe ich bereits als Werksstudent, bevor die Thesis begonnen hat, bei der Helbako gearbeitet und meinen Vorgesetzten auf ein Thema für eine Abschlussarbeit angesprochen. Nach einer gemeinsamen Planung und Ausarbeitung für eine passende Aufgabenstellung, wurde eine geeignete Betreuung in der Universität gesucht. Sobald diese gefunden wird, wird mit einer gemeinsamen Abstimmung zwischen der Universität und dem Unternehmen das Startdatum und der Abgabetermin abgestimmt. Je nach Universität und Richtlinien kann der Vorgesetzte bzw. Betreuer im Unternehmen als Prüfer und Notengeber agieren. Der Vorgesetzte bzw. Betreuer im Unternehmen übernimmt während der Thesis hauptsächlich die Rolle der fachlichen Betreuung. Bei Fragen oder Hilfestellungen kann dieser immer angesprochen werden. Des Weiteren hat die Helbako GmbH die gesamten Kosten für benötigtes Material übernommen sowie die Arbeit im Rahmen der Thesis wie bei einem Werksstudenten Job vergütet
Nun mehr Details zur Aufgabe: Welche Anforderungen gab es an den DCDC-Wandler im Rahmen der Masterarbeit und wie wurden diese umgesetzt?
Durch den hohen Anspruch an die Sicherheit muss der DCDC-Wandler einige Funktionen erfüllen, wie z.B. eine sichere Kurzschlussvermeidung zwischen den zwei Bordnetzen. Zusätzlich gilt es einen sehr hohen Wirkungsgrad (>95%) bei einer Leistung von 500W zu realisieren. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird der DCDC-Wandler galvanisch getrennt ausgeführt. Es wird also ein Transformator zur galvanisch getrennten Leistungsübertragung genutzt. Dabei wird sowohl ein Planartransformator, der nach eigenen Vorgaben von einer Firma bereitgestellt wird, als auch ein selbstgewickelter Transformator mit PQ-Kern und Litze verwendet. Zum Erreichen des hohen Wirkungsgrades wird eine galvanisch getrennte Topologie mit einer Vollbrücke auf der Primärseite und einem Current-Doubler auf der Sekundärseite verwendet. Durch die Vollbrücke werden die Verluste in den Leistungsschaltern verringert und so die Effizienz erhöht. Der Current-Doubler bezeichnet die Schaltungstopologie auf der Sekundärseite des DCDC-Wandlers. Bei dieser werden anstatt einer Ausgangsspule zwei verwendet, sodass sich der Ausgangsstrom aufteilt. So werden die Verluste auf der Sekundärseite verringert. Der Nachteil an dem Aufbau der Schaltung sind erhöhte Kosten für die hohe Anzahl an Bauteilen. Allerdings kann der Aufbau des Transformators vereinfacht werden, da durch die Vollbrücke eine simple Wicklung auf der Primärseite und durch den Current-Doubler ebenfalls eine simple Wicklung auf der Sekundärseite verwendet werden kann.
Des Weiteren wird eine recht junge Technologie der Feldeffekttransistoren als Leistungsschalter eingesetzt. Dabei handelt es sich um Galliumnitrid Feldeffekttransistoren (GaN-FETs), welche auf dem gleichen Funktionsprinzip der klassischen FETs basieren, allerdings nicht mit klassischem Silizium und PN-Übergängen aufgebaut sind, sondern mit dem Halbleitermaterial GaN. Dadurch ergeben sich einige Vorteile gegenüber den klassischen Si-MOSFETs. Die GaN-FETs sind wesentlich kleiner in der Bauform, wodurch die parasitären Bauteilgrößen verringert werden. So können die Schaltzeiten drastisch verkleinert werden und die Schaltfrequenz erhöht werden. Dies hat einen Effekt auf die gesamte Schaltung, da durch die höheren Frequenzen die Induktivitäten und Kapazitäten sowohl in den Filterstrukturen als auch im DCDC-Wandler verringert werden können. Des Weiteren kann der Transformator in der Bauform verkleinert werden. Das spart Platz, Kosten und ist effizienter.
Was war das Ergebnis der Thesis? Welche Erfahrungen konnten mitgenommen werden?
Das Ergebnis der Thesis war eine grundsätzlich funktionierende Schaltung, die galvanisch getrennt 12V auf 12V übertragen kann. Durch ein nicht optimales Layout, wodurch in Folge Probleme an den Leistungsschaltern resultierten, konnte der angestrebte Wirkungsgrad leider nicht erzielt werden. Der abschließende Wirkungsgrad betrug in der Spitze 92%. Auf mögliche Verbesserungen wurde in der Thesis eingegangen und mögliche Veränderungen am Layout und der Schaltung wurden ausgearbeitet.
Durch die Thesis wurde der Helbako eine mögliche Lösung für das Realisieren eines 12V-12V DCDC-Wandlers aufgezeigt, die das Unternehmen in der Zukunft gegebenenfalls nutzen bzw. verbessern kann. Die gesammelten Erkenntnisse zu den GaN-FETs sind ebenfalls nützlich und können auch auf andere Projekte angewendet und genutzt werden.
Abschließend kann ich sagen, dass die Thesis für beide Seiten einen Nutzen hat und kann es jedem nur empfehlen diese in einem Unternehmen bzw. bei der Helbako zu schreiben. Besonders positiv ist mir die Hilfsbereitschaft und Unterstützung aller Kollegen in der Entwicklung sowie Abteilungsübergreifend aufgefallen, welche stets angesprochen werden konnten und einem zur Seite standen. Im Nachhinein würde ich eine Abschlussarbeit jederzeit wieder in einem Unternehmen bzw. in der Helbako schreiben, da diese sehr praxisnah ist, ich viele Erfahrungen sammeln konnte und mir dies ebenfalls einen reibungslosen Berufseinstieg nach der Thesis bei der Helbako ermöglicht hat.