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Forschungsgruppe Leistungselektronik und elektrische Antriebssysteme

Kernkompetenz

  • Stromversorgungen – effizient, kompakt und bereit für die hochautomatisierte Fertigung

Kurzportrait

Inhaltlich befasst sich die Professur maßgeblich mit Auslegung, Aufbau und Regelung modernster Topologien von AC/DC-, DC/AC- sowie DC/DC-Wandlern im unteren und mittleren Leistungsbereich. Ein Schwerpunkt liegt auf der seriennahen Realisierung der Wandler. Daneben zählen weiches Schalten, Auslegung und Charakterisierung induktiver Bauelemente sowie potenzialtrennende Topologien zum Fokus des Fachbereiches. Die Forschungsgruppe ist Kompetenzzentrum des ECPE – European Center for Power Electronics.

Unsere Erfahrungen speisen sich insbesondere aus der über 25-jährigen Tätigkeit in der Vorfeldentwicklung von Prof. Thomas Komma bei der Siemens AG. Das fundierte Fachwissen reicht von der Auslegung und Auswahl einzelner aktiver und passiver Komponenten über die Entwicklung von Prototypen bis hin zur Optimierung von Leistungselektronik-Baugruppen für die Serie.

Wir bieten mit der vorhandenen Ausstattung umfassende Möglichkeiten zur Analyse nicht nur von einzelnen leistungselektronischen Komponenten, sondern auch von ganzen Systemen. Mit dem vorhandenen Wissen und der modernen Geräte- und Messtechnik können wir aktiv Unternehmen und Forschungseinrichtungen bei ihren FuE-Vorhaben begleiten.

Team

Gruppenfoto
Forschungsgruppe Leistungselektronik (v.l.n.r.): Bela Truschenski, Prof. Thomas Komma, Jakob Riedl, Marcel Hofmann, Marcus Praast, Dr. Andreas Reinhold, Lukas Burgmaier, Till Bargmann und Christopher Zeidler © HTWK Leipzig

Kontakt

Portraitfoto - wenn Link vorhanden, führt dieser zur Website der Person

Prof. Dr.-Ing. Thomas Komma
Professur Leistungselektronik und elektrische Antriebssysteme

Institut
EET | Institut für Elektrische Energietechnik

Telefon: +49 (0)341 3076 1115
E-Mail: thomas(dot)komma(at)htwk-leipzig.de

Logo ECPE – European Center for Power Electronics/Link führt zur Firmenwebsite

Das Fachgebiet ist ein Kompetenzzentrum des ECPE – European Center for Power Electronics. https://www.ecpe.org

Projekte

Infografik mit Windrädern, RecyclingLogo, Glühbirne und einer Fabrik, grün gehaltenVerlinkung führt zur Projektwebsite

MAGIE

Magnetics-Konzepte für grüne, innovative und energieeffiziente Stromversorgungen

MAGIE zielt darauf ab neue Magnetics-Konzepte für grüne, innovative und energieeffiziente Stromversorgungen zu entwickeln. Denn aktuelle Entwicklungen im Bereich SMD-basierter Leistungshalbleiter ermöglichen zwar theoretische Strombelastungen der magnetischen Bauelemente (Magnetics) von über 70 Arms bei gleichzeitig hohen Frequenzen von 100 kHz bis in den MHz-Bereich. Die neuen Halbleiter hängen damit aber den aktuellen Stand der Magnetics ab.

Förderung: SMEKUL
Projektlaufzeit: 10/2024 - 06/2028

Projektseite MAGIE

Infografik mit Windrädern, RecyclingLogo, Glühbirne und einer Fabrik, grün gehalten/Verlinkung führt zur Projektwebsite

ENABLE

ENABLE the Grid: Aufbau eines Kompetenzzentrums für Resonanzkopplung in Stromversorgungssystemen

Im Zuge der fortschreitenden Energiewende stehen grüne und nachhaltige Stromversorgungen unter erheblichem Innovationsdruck. Dieser speist sich zum einen aus den Forderungen nach einer gesteigerten Energieeffizienz, einer Miniaturisierung der Schaltungen sowie einer deutlichen Kostensenkung. Zum anderen rücken aufgrund der angespannten Versorgungslage auf dem Weltmarkt auch strategische Aspekte zur Verfügbarkeit von (Teil-)Technologien in den Fokus. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist entscheidend, um die Vorteile der Resonanzkoppel-Technologie voll auszuschöpfen und zukünftige Stromversorgungssysteme effizienter und nachhaltiger zu gestalten.

Förderung: SMWK
Projektlaufzeit: 08/2024 - 06/2026

Projektseite ENABLE

Ki-generiertes Symbolbild leuchtende Datensignale als Linien und Netzwerke, ähnlich EGK-Kurven auf einem Monitor/eine Verlinkung des Bildes führt zur Forschungsprojektwebsite

PULSAR

Präzise Untersuchung von Leistungshalbleiter-Schaltverlusten zur Analyse von Resonanzwandlern

Damit Strom dort ankommt, wo er benötigt wird, muss er verteilt, gewandelt und geregelt werden. Das ist die Aufgabe der Leistungselektronik. Denn leistungselektronische Stromversorgungen schließen Technologien wie Photovoltaik, Elektromobilität oder Wärmepumpen überhaupt erst an das Stromnetz an. Hier erzielte Fortschritte tragen damit flächendeckend zur Reduktion von Energiebedarf und Treibhausgas-Emissionen bei. Unter besonderer Belastung stehen die verbauten Leistungshalbleiter. Nicht nur elektrisch, sondern auch thermisch tragen sie eine Hauptlast in jeder Stromversorgung. Ein effizientes Design der Stromversorgungen mit hohem Wirkungsgrad, hoher Leistungsdichte und geringem Ressourceneinsatz setzt daher möglichst genaue Kenntnisse über die elektrischen und thermischen Eigenschaften voraus. Für moderne Leistungshalbleiter lassen sich diese aber nur schwer bestimmen. Denn wenn Ströme von bis zu hundert Ampere bei mehreren hundert Volt Spannung im unteren Nanosekunden-Bereich geschaltet werden, dann kommt auch moderne Messtechnik an ihre Grenzen. PULSAR soll entsprechende Messungen an der HTWK ermöglichen.

Förderung: SMWK
Projektlaufzeit: 11/2023 - 12/2024

Projektseite PULSAR

Symbolbild Sensornetzwerke, blauer Hintergrund, leuchtende Netze mit hellen Partikeln im VordergrundVerlinkung führt zur Projektwebsite

noLIMIT

Netzorientiertes bidirektionales Laden mit intelligenten Modulen optimiert für die industrielle Fertigungstechnologie

Die zunehmende Elektrifizierung des Verkehrssektors stellt den stabilen Netzbetrieb vor neue Herausforderungen. So zählt bspw. das Ladeverhalten im Niederspannungsnetz laut der nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina zu einer von drei typischen Ursachen für zukünftige Netzengpässe. Elektrofahrzeuge können aber auch ein Teil der Lösung sein: Mit den bis 2030 geplanten Elektrofahrzeugen steht ein sehr hohes Speicherpotenzial zur Verfügung, welches jedoch nur durch bidirektionales Laden erschlossen werden kann. Hierfür entwickelt das FTZ im Projekt „noLIMIT“ neuartige Leistungselektronik für bidirektionale Hochleistungsladesäulen. Als Schlüssel für Sektorenkopplung sollen die Ladesäulen zu einem effizienten Netzbetrieb beitragen und mit innovativen Konzepten die hochautomatisierte Fertigung in Deutschland ermöglichen.

Förderung: BMWK, BMUV
Kooperationspartner: Siemens Aktiengesellschaft
Projektlaufzeit: 10/2023 - 09/2025

Projektseite noLIMIT

Symbolbild für Energieverteilnetzsystem, dunkler Hintergrund, leuchtende NetzstrukturVerlinkung führt zur Projektwebsite

MoFi-Flex

Moderne und hochleistungsfähige Forschungsinfrastruktur für innovative und flexible Energieverteilungssysteme mit leistungselektronischen Wandlern

Der im Projekt „MoFi-Flex“ geplante, transient-kalorimetrische Verlustleistungsmessplatz dient der hochpräzisen Bestimmung von Verlustleistungen in leistungselektronischen Komponenten und Systemen. Mit den Messergebnissen sollen aktive und passive Bauelemente charakterisiert und thermisch modelliert werden. Speziell für den hochfrequenten Betrieb von Wide-Bandgap-Halbleitern begegnet die Professur den steigenden Anforderungen an komplexe Schaltungen und einzelne Bauelemente.

Förderung: SMWK
Projektlaufzeit: 04/2022 - 12/2022

Projektseite MoFi-Flex

GaN-Halbbrücke zur Erprobung von Pearson-Sonde/bei Verlinkung führt Link zur Projektwebsite

SMITH

Hochpräzise Strommessung für innovative thermische Verlustleistungs­bestimmung im Hochfrequenzbereich

Im Projekt SMITH soll ein neues Messsystem für die strombasierte Verlustleistungsmessung in leistungselektronischen Schaltungen und Bauelementen entwickelt werden. Speziell für den hochfrequenten Betrieb von Wide-Bandgap-Halbleitern auf Basis von Siliziumkarbid und/ oder Galliumnitrid sollen bestehende Lösungen verglichen und neue erforscht werden. Um gleichzeitig eine hohe du/dt-Festigkeit sowie eine hohe Bandbreite zu ermöglichen, erfolgt eine leiterplattenbasierte Realisierung.

Förderung: SMWK, SAB
Projektlaufzeit: 02/2022 - 12/2022

Projektseite SMITH

Symbolbild, dunkelblauer Hintergrund und wagenartige Netzstruktur davor/Verlinkung führt zur Projektwebsite

Next Gen HVDC

Hochspannungsversorgungen der nächsten Generation im Spannungsbereich bis 400 kV und im Leistungsbereich bis 100 kW

Ziel des Vorhabens ist es, eine neue Generation von Hochspannungsversorgungen zu entwickeln, die für den Einsatz in der Elektronenstrahltechnik hervorragend geeignet ist. Im Mittelpunkt des Projektes steht die Entwicklung eines neuartigen Baukastensystems, mit dem durch diverse Hardwaremodule spezifizierte Gerätezusammensetzungen nach Kundenwunsch erfüllt werden können.

Förderung: ZIM des BMWi
Projektlaufzeit: 03/2021 – 09/2023

Projektseite Next Gen HVDC

Veröffentlichungen

Kompetenzen

Hardwareentwicklung im unteren und mittleren Leistungsbereich: Wir bilden das erforderliche FuE-Profil sowohl auf breiter Basis als auch mit speziell fundiertem Fachwissen ab. Ein besonderer Fokus liegt auf neuen Technologien für Schaltnetzteile. Mit unserer Forschung optimieren wir diese in Richtung höherer Leistungsklassen.

Kompetenzfeld 1 | Leistungselektronische Schaltungen und Systeme

Spezielle Kompetenzen

  • Potenzialtrennende Topologien und Hochspannungserzeugung
  • Resonanzwandler (quasi- und vollresonanter Betrieb)
  • Systemoptimierung im Zusammenspiel passiver und aktiver Komponenten
  • Stromversorgungen für spezielle Anwendungen

Basiskompetenzen

  • Topologiestudien und -untersuchungen
  • Entwärmungskonzepte
  • Simulation auf unterschiedlichen Modellebenen mit LTspice, PLECS und MATLAB®

Aktuelle Forschungsthemen

  • Quasiresonant betriebene AC/DC-Wandler im kW-Bereich
  • Vollresonant betriebene DC/DC-Wandler mit weitem Ausgangsspannungsbereich
  • Resonanzwandler für Hochspannungserzeugung

Kompetenzfeld 2 | Entwurf und Charakterisierung leistungselektronischer Komponenten

Spezielle Kompetenzen

  • Induktive Bauelemente
  • Elektrische Modellbildung
    • HF-Ersatzschaltbilder für leistungselektronische Komponenten über 2- und 4-Pol-Messverfahren
    • Verluste in Wickelgütern bei realen Aussteuerungen
    • Nichtlineare Kapazitäten von Leistungshalbleitern
  • Thermische Modellbildung
    • Schnelle Temperaturänderungen in Bauelementen und Systemen
    • Schalt- und Leitverluste bei höchsten Schaltgeschwindigkeiten mittels IR-Messtechnik
    • Verlustleistungsbestimmung von Bauelementen im System
    • Verluste in Wickelgütern bei realen Aussteuerungen

Basiskompetenzen

  • Elektrische Modellbildung
    • Dynamische Charakterisierung aktiver Bauelemente
    • Optimierung von Treiberbaugruppen
    • Filtercharakteristika inkl. EMV-Verhalten
    • Simulation auf unterschiedlichen Modellebenen mit LTspice, PLECS und MATLAB®
  • Thermische Modellbildung
    • Stationäre Wärmeübergänge Rth
    • Transiente Wärmeübergänge Zth
    • Simulation auf unterschiedlichen Modellebenen mit LTspice, PLECS und MATLAB®
  • Belastung bei betriebsrelevanten Aussteuerungen
    • Übertemperaturberechnung
    • Verlustleistungsberechnung

Aktuelle Forschungsthemen

  • Transformatoren mit großem Luftspalt
  • Transient kalorimetrische Verlustleistungsbestimmung
  • HF-Verhalten von leistungselektronischen Komponenten und Systemen
  • Verluste von Leistungshalbleitern in Resonanzwandlern
Prof. Komma sitzt vor einem Schaltmodul
Ermittlung von Schaltverlusten von Si- und SiC-MOSFETs in einer Stromversorgung © HTWK Leipzig
Bild einer GaN-Halbbrücke zur Erprobung verschiedener Strommessverfahren bei hohen Schaltgeschwindigkeiten
GaN-Halbbrücke zur Erprobung verschiedener Strommessverfahren bei hohen Schaltgeschwindigkeiten © HTWK Leipzig
Marcel Hofmann bei der Inbetriebnahme eines 28 kW SiC-basierten Boost Converters
Inbetriebnahme eines 28 kW SiC-basierten Boost Converters © HTWK Leipzig

Technische Ausstattung

Moderne Ausstattung für anspruchsvolle Entwicklungsprojekte: Hier finden Sie unsere Messplätze sowie eine Auflistung unserer Geräte- und Messtechnik.

Spezielle Messplätze

Geräte- und Messtechnik

Messplätze

Impedanzspektroskopie

Die Astronomie macht es vor: Auf Basis bekannter spektroskopischer Verfahren können eine Vielzahl unterschiedlicher Eigenschaften bestimmt werden. Mit Methoden der Nachrichtentechnik ermitteln wir im Kleinsignalbereich die komplexe elektrische Impedanz und werten u.a. die Phasen- und Frequenzgänge aus. Dabei kommt moderne Messtechnik auf dem aktuellen Stand der Technik zum Einsatz.

Anwendungsfelder:

  • parasitäre Effekte passiver und aktiver Bauelemente wie bspw. nichtlineare Kapazität von Leistungshalbleitern oder Streuinduktivitäten
  • HF-Ersatzschaltbilder über 2- und 4-Pol-Messverfahren
  • Übertragungsverhalten von bspw. Reglern oder Sensoren
  • Analyse und Design von Resonanznetzwerken
  • EMV-Filtercharakteristika
  • Simulation in LTspice, PLECS und MATLAB®

Messverfahren:

  • 2-pol Messung für bspw. Drosseln und Kapazitäten mittels Zurich-Instruments MFIA Impedanzanalysator (1 mHz bis 5 MHz
  • 4-pol Messung für bspw. Transformatoren und EMV-Verhalten von Filtern mittels Keysight EN5061B Netzwerkanalysator (5 Hz bis 1,5 GHz)
Bild eines Impedanzanalysators
Vermessung einer Induktivität mittels Zurich-Instruments MFIA Impedanzanalysator © HTWK Leipzig
Netzwerk- und Impedanzanalysator im Laborbetrieb
Netzwerk- und Impedanzanalysator im Laborbetrieb © HTWK Leipzig
Prof. Komma arbeitet an einem Netzwerkanalysator
Bestimmung der parasitären Kapazität eines SiC-MOSFETS mittels Keysight EN5061B Netzwerkanalysator © HTWK Leipzig

Transient kalorimetrische Verlustleistungsmessung (im Aufbau)

Im Gegensatz zur klassischen setzen wir auf die transiente Kalorimetrie. Bei hoher Genauigkeit erreichen wir belastbare Messergebnisse bereits im unteren Sekunden- bis Minutenbereich und umgehen damit lange und fehleranfällige Ausgleichsvorgänge. Mit dem hochwertigen Equipment können wir u.a.
a) in komplexen Systemen simultan parallele Verlustleistungsquellen vermessen und
b) störungsfreie Temperaturmessungen auch unter anspruchsvollen EMV-Bedingungen durchführen.

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.

Anwendungsfelder:

  • Schalt- und Leitverluste bei höchsten Schaltgeschwindigkeiten mittels IR-Messtechnik
  • Verluste in Wickelgütern bei realen Aussteuerungen
  • schnelle Temperaturänderungen in Bauelementen und Systemen
  • thermische Analyse von Schaltungen

Messverfahren:

  • störungs- und verzögerungsfreie Messung mittels hochdynamischer Wärmebildkamera ImageIR® 8300 (150 Hz bis 5 kHz)
  • störungsfreie Messung mittels optischer Faser OTG-F (Ansprechzeit 5 ms) und OTG-I220 (Ansprechzeit <= 35 ms)
  • hochdynamische Temperaturmessung mittels Thermoelementen-Datenlogger GL7000 (bis 1 MHz)
Bild eines Messsystems
Messsystem mit einer beispielhaften inneren Kammer (links) sowie der äußeren Kammer (rechts) © HTWK Leipzig
Grafische Darstellung des Messprinzips
Messprinzip: Da wir im transienten Bereich messen, kommen wir sehr schnell zu Messergebnissen © HTWK Leipzig
Marcel Hofmann sitzt am Gerät zur Messung der Schaltverluste
Messung der Schaltverluste in einem selbst entwickelten 28 kW SiC-basierten Hochsetzsteller © HTWK Leipzig

Doppelpulsmessplatz (im Aufbau)

Dieser Messplatz dient der hochdynamischen Strom- und Spannungsmessung von modernen Leistungshalbleitern. Schalt- und Totzeiten können mit einer Schrittweite von 50 ns eingestellt werden. Eine besondere Herausforderung stellt die Strommessung dar, für welche verschiedene Messverfahren zur Verfügung stehen. Mit der vorhandenen Expertise kann die Dynamik von Schaltvorgängen optimiert werden. Zusätzlich ist eine thermische Referenzmessung der Schaltverluste möglich.

Diese Maßnahme wird mitfinanziert mit Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.

Anwendungsfelder

  • Charakterisierung aktiver Bauelemente
  • Optimierung des Schaltverhaltens
  • Optimierung der Schaltverluste
  • Optimierung von Treiberbaugruppen

Spezifikationen

  • Zwischenkreisspannung bis 2.000 V
  • THT- und SMD-Gehäuse
  • Auflösung der Schaltzeiten in 50 ns Schritten
  • einstellbare Streuinduktivität
  • Strommessverfahren: Pearson-Sonden, Koaxial-Messwiderstände, Rogowski-Spulen
Grafik: Einschaltvorgang eines SiC-MOSFETs mit Rückstromspitze
Grafik: Lehrmaterial | Einschaltvorgang eines SiC-MOSFETS auf klassische Si-Diode mit Rückstromspitze © HTWK Leipzig
Bild einer GaN-Halbbrücke zur Erprobung verschiedener Strommessverfahren bei hohen Schaltgeschwindigkeiten
GaN-Halbbrücke zur Erprobung verschiedener Strommessverfahren bei hohen Schaltgeschwindigkeiten © HTWK Leipzig
Bild von einem Messsystem zur Messung von Schaltverlusten
Christopher Zeidler mit einem an der Professur entwickeltem Messsystem zur Messung von Schaltverlusten © HTWK Leipzig

Geräte- und Messtechnik

Kategorie 1 | Quellen, Senken

  • 4x Bidirektionale aktive DC-Quelle: IT6018B-1500-40 (0-1500 VDC, 18 kW) von ITECH
  • Bidirektionale 3/1 phasige AC-Quelle: IT7915P-350-90 (0-350 VLN, 15 kVA) von ITECH
  • Aktive DC-Quelle: TopCon Quadro (0-600 VDC, 20 kW) von Heiden
  • Aktive DC-Senke: TopCon TC.GXS (0-600 VDC, 20 kW, mit Batterie-Nachbildung) von Heiden
  • 2x Stromquelle: PSU 6-200 (0-6 VDC, 200 A, seriell und parallel verschaltbar) von GW Instek
  • Spannungsquelle: HPp 20 757 152 (0-2000 VDC, 1500 W) von iseg-Spezialstromversorgungen
  • 2x thermische Quelle/Senke: FC600 Chiller (-20 … +80 °C, 1,2 kW Heizleistung und bis 0,6 kW Kälteleistung) von Julabo

Kategorie 2 | Messgeräte

  • Leistungsmessgeräte: WT5000 und WT3000 von Yokogawa, LMG 500 von Zimmer
  • 4-pol Netzwerkanalysator: EN5061B (5 Hz bis 1,5 GHz) von Keysight
  • 2-pol Impedanzanalysator: MFIA (1 mHz bis 5 MHz) von Zurich Instruments
  • LCR-Messbrücke: HM8118 (20 Hz bis 200 kHz) von R&S
  • Wärmebildkamera: ImageIR® 8300 (640x512 IR-Pixel, 150-5000 Hz) von Infratec
  • Datenlogger optische Faser: CoreSens GSX-2 (6 Kanäle, 1 kHz) von OpSens Solutions
  • Datenlogger: GL7000 Plattform mit Optionen HSV (4-Kanal, 1 MS/s), M (10-Kanal, 100 S/s) und SSD (128 GB) von Graphtec
  • Diverse Speicher-Oszilloskope: U.a. 2x R&S®MXO58-500 (8-Kanal, 500 MHz), 1x R&S®RTA4004 (4-Kanal, 1 GHz) und 2x R&S®RTH1054 (4-Kanal, 500 MHz, isoliert) von R&S
  • Digitalmultimeter: DM6500 (1000 VDC, 750 VAC) von Keithley

Kategorie 3 | Sensoren

  • Aktive AC/DC Stromzangen: 120 MHz / 30 A, 100 MHz / 30 A, 100 MHz / 50 A und 10 MHz / 150 A von R&S®
  • Rogowskispulen: 30 MHz / 120 A und 30 MHz / 600 A von Iwatsu und Keysight
  • Pearson Sonden: 200 MHz / 100 A und 70 MHz / 400 A
  • Diverse Spannungstastköpfe: Differentielle und isolierende Sonden (25-500 MHz, 700-1400 V)
  • Logiktastköpfe: TLP058 (500 MHz, 30 V) von Tektronix
  • Optische Faser: OTG-F (Ansprechzeit 5 ms) und OTG-I220 (Ansprechzeit <= 35 ms) von OpSens Solutions

Kategorie 4 | Software, Regelungstechnik

  • HiL-Plattformen: PLECS-RT-Box 1 und 3
  • PLECS: Simulation leistungselektronischer Systeme
  • LTspice: Detail-Simulationen
  • MATLAB® / Simulink: Simulation leistungselektronischer Systeme sowie Datenauswertung
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