Hocheffizientes strahlungsfestes Stromwandlersystem für die Weltraumelektronik und die inneren Schichten von Teilchenphysik- experimenten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Karagounis
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546567423

Das übergeordnete Ziel des Projekts der National Taiwan University (NTU) und der Fachhochschule Dortmund (FHDO) ist die Verbesserung der Leistungseffizienz elektronischer Systeme in strahlungsexponierten Umgebungen wie dem Weltraum und den inneren Lagen von Teilchenphysikexperimenten. Pixel-Detektoren sind Halbleiterbauelemente, die in den LHC Experimenten ATLAS und CMS am CERN eingesetzt werden, um den Weg kurzlebiger Teilchen aufzuzeichnen, die bei Kollisionen in der Nähe des Wechselwirkungspunkts entstehen. Aufgrund von Platz- und Materialbeschränkungen sowie der schwierigen Umgebungsbedingungen wird derzeit nur ein Wirkungsgrad von 20% erreicht. Der Wirkungsgrad ist auch in der Weltraumelektronik ein kritischer Faktor, da er sich direkt auf die für die Erzeugung, den Transport und die Speicherung von Energie erforderliche Masse auswirkt. Eine hoher Wirkungsgrad ermöglicht ein größeres Massenbudget für Nutzlastinstrumente oder die Verringerung des Gesamtmassenbudgets von Satelliten. Sie verbessert die Manövrierfähigkeit und Missionsflexibilität, senkt die Startkosten und verbessert den Zustand der Batterien, wodurch sich die Lebensdauer der Satelliten und ihre Missionen verlängern. Die Wirkungsgrad soll durch ein Versorgungsschema verbessert werden, das auf einer kaskadierten zweistufigen DCDC-Abwärtswandlung von 28V auf 3,6V und 3,6V auf 0,9V basiert und einen Gesamtwirkungsgrad von 80% bei einem Gesamtlaststrom von 16 A ereicht. FHDO wird strahlenharte Hochfrequenz-DCDC-Wandler mit Schaltstufen aus kaskodierten Transistoren und einem Wandlungsfaktor von 4 in 28nm Technologie entwickeln. NTU wird einen Hochspannungs-DCDC-Wandler in 180nm BCD Technologie entwerfen, um ein hohes Wandlungsverhältnis zu erreichen. Eine AI/ML-basierte Methodik wird für die Optimierung von mehrphasigen und resonanten Multilevel-Abwärtswandlern eingesetzt. Das Framework wird Studien zur Wandlerarchitektur, Modulation und zum Steuerschema unterstützen. Dahei wird di Beschreibung der Schaltung in textueller Form in Verilog-A von einem Generator erzeugt, der die Definition der Schaltungsstruktur auf einer abstrakten Ebene ermöglicht. Parametrisierte Verilog-A-Modelle werden für die Modulations- und Steuerschaltungen entwickelt und mit parametrisierten Schaltplänen der Schaltstufe und dem LC-Filter kombiniert. Durch die Formulierung von Measures, die von Schaltungssimulatoren zur Verfügung gestellt werden, können Leistungskennzahlen aus der Simulation abgeleitet werden. Dieser Ansatz ermöglicht die Verwendung von Algorithmen zur Architektursuche, die aus dem Entwurf künstlicher neuronaler Netze bekannt sind. Bei komplexen Optimierungsproblemen werden Algorithmen bevorzugt, die die Zielfunktion mit einer probabilistischen Ersatzfunktion modellieren, um die Anzahl der Zielfunktionsbewertungen zu reduzieren. Die Bayes'sche Optimierung auf der Grundlage des Multi-Objective Tree Parzen Estimators wird in diesem Projekt als Ausgangspunkt verwendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Taiwan
• Partnerorganisation: National Science and Technology Council (NSTC)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Yi-Jan Emery Chen