Im Arbeitspaket AP1 werden die Anforderungen an die adressierten Leistungssteller untersucht und hieraus die detaillierten Spezifikationen festgelegt. Als fundierende Maßnahme in der Konzeptphase wird eine engere Auswahl an WBG-Bauelementen messtechnisch charakterisiert, weil Verlustleistungsdaten bei resonantem Schalten nicht verfügbar sind. Dies umfasst die Schaltcharakteristik (Schaltenergien für verschiedene Treiberbedingungen) und Durchlasscharakteristik (z.B. (dynamischer) Durchlasswiderstand, Flussspannung der Bodydioden für verschiedene Treiberspannungen). Anhand rechnergestützter Entwurfsverfahren werden die geeigneten Schaltungstopologien vorausgewählt, von denen die gewünschten Eigenschaften zu erwarten sind. Schon zu Projektbeginn werden topologieübergreifende Funktionsmodule (HF-Schaltzelle, EMV-Filter, Wechselrichter, Gleichrichter, etc.) identifiziert, die für verschiedene Leistungssteller einsetzbar sind und sich so modularisieren lassen. Gemäß Vorarbeiten erfolgt die Arbeitsteilung auf LEA und KDEE: Ladewandler untersucht und entwickelt LEA, DC-DC-Wandler übernimmt das KDEE mit beratender Unterstützung seitens LEA. Qualifizierte Topologien und ihre Betriebsarten sind auf Basis der charakterisierenden Messungen vorauszuwählen.

Im AP2 werden die Schaltungstopologie und Betriebsarten des DC-DC-Wandlers und Ladewandlers ausgewählt und optimal bezüglich Verlustleistung, Bauvolumen und Dynamik ausgelegt. Hierfür werden dominierende Stressgrößen der Schaltungen mit Hilfe geeigneter Analysemethoden (z.B. dynamische Mittelwertbildung (SPAM), Zeitbereichsanalyse o.ä.) hergeleitet und die Verlustleistung und das Bauvolumen wesentlicher Bauteile berechnet. Danach erfolgt eine numerische Mehrzieloptimierung mittels adaptierter Optimierungswerkzeuge. Für die magnetischen Bauelemente erfolgt die Abschätzung von Verlustleistung und Bauvolumen in enger Abstimmung mit AP3. Bei der Schaltungsauswahl und -auslegung wird stets darauf geachtet, dass Sicherheitsanforderungen an Leerlauffestigkeit, Kurzschlussfestigkeit usw. gewährleistet werden können.

Nach der Schaltungsauslegung für den spezifizierten Arbeitsbereich wird die Regelungsstruktur ausgewählt und hinsichtlich der spezifizierten Dynamik ausgelegt. Hierbei wird stets darauf geachtet den Rechenaufwand so gering zu halten, sodass die Berechnung auf heute branchenüblichen Rechenwerken möglich ist. Die experimentelle Erprobung der Regelung ist im ersten Schritt mit einem Rapid-Prototyping-System mit Hilfe des Funktionsmusters geplant, um die Performance unterschiedlicher Regelungsansätze gegenüberzustellen. Für den Demonstrator wird die favorisierte Regelung auf das Ziel-Rechenwerk übertragen.

Dieses Arbeitspaket wird iterativ bearbeitet. Arbeiten zu den einzelnen Komponenten lassen sich schwer auftrennen, da es effizienter ist, mehrere magnetische Bauelemente gleichzeitig zu untersuchen, während man wieder auf neue Ferritmaterialien bzw. Kerne, SLS-Teile für Spulenkörper oder Ergebnisse aus Simulationen wartet.

In Arbeitspaket 3 sollen alle magnetischen Bauelemente ausgelegt, simuliert, aufgebaut, elektrisch und thermisch vermessen, und gegebenenfalls iterativ verbessert bzw. angepasst werden. Dies betrifft sämtliche induktiven Bauelemente, die im Projekt zu einer Leistungsdichtesteigerung führen sollen. Hierbei ist es immer erforderlich, zuerst eine Analyse der vorhandenen Ferritmaterialien durchzuführen, da diese standardmäßig meist nur für eine Frequenz bis ca. 200kHz charakterisiert sind. Es müssen also die frequenzabhängigen Verlusteigenschaften für den jeweiligen Einsatzzweck analysiert werden. Hierzu bedarf es einer Fallunterscheidung, welche Topologie verwendet wird. Zum einen sind hochaussteuerbare Ferrite bei Glättungsdrosseln zu verwenden, andererseits sind bei Trafomaterialien Parameter wie Streuinduktivität und Kopplung zu bewerten. Bei weichschaltenden DC-DC-Wandlern spielt der Luftspalt eine entscheidende Rolle, wodurch auch die Anordnung des Leiters berücksichtigt werden muss und es hierzu in diesem Frequenzbereich großen Forschungsbedarf gibt.

Nicht zuletzt kann man mit multifunktionalen Bauelementen eine weitere Leistungsdichtesteigerung erreichen. Hierzu bestehen Ansätze, Resonanzdrosseln und/oder Glättungsdrosseln in die jeweiligen Hauptdrosseln zu integrieren. Dies kann z.B. mit Hybridkernen erfolgen oder auch durch die Nutzung orthogonaler Wicklungen. Kommerziell ist kein Produkt bekannt, das diese Vorteile nutzt. Daher gibt es auch hier großen Forschungsbedarf. Sowohl die passive als auch aktive Vormagnetisierung stellt hier einen Ansatz dar, bei dem erforscht werden soll, inwieweit sich Kernsättigungseigenschaften während des Wandlerbetriebs aktiv beeinflussen lassen. Sollte es möglich sein, die Schaltung so auszulegen, dass z.B. eine rückgekoppelte Gegeninduktion bei hohem Ausgangsstrom zu einem reduzierten Induktivitätswert führt, der in diesem Betriebsfall zu einem baugrößenreduzierten magnetischen Bauteil führt, wäre dies wiederum einer Leistungsdichtesteigerung dienlich. Um das zu erforschen, ist ein separater Testaufbau einer Schaltung notwendig, um die Potentiale solcher adaptiven Magnetik auszuloten.

In Arbeitspaket 4 wird ein Konzept für die Schaltzelleneinheit bestehend aus Leistungshalbleiter, Treiber, Stützkondensator, Anbindung zum Kühlkreis und Leiterplattenlayout erarbeitet. Hierfür sollen thermo-elektrische Simulationen durchgeführt werden, um das optimale Layout des Kommutierungskreises und Anordnung der Komponenten der Peripherie zu bestimmen. Darauf basierend kann die Auslegung des Kühlkreises unter Berücksichtigung möglicher Ansätze zur doppelseitigen Kühlung von Leistungshalbleitern und magnetischer Komponenten erfolgen. Entsprechend festgelegter Anforderungen und Verlustdaten aus AP2 und AP3 wird schließlich das Gehäuse ausgelegt, welches planmäßig auch als Kühlkörper fungiert. Ein weiterer Kern von AP4 besteht aus dem Aufbau der Leistungshalbleiter und ggfs. der passiven Bauelemente im thermisch hochbelasteten Bereich mit dem selektiven Sinterprozess. Schlussendlich können unkritische Bauteile mit herkömmlichen Lötverfahren verbunden werden.

In AP5 werden die verschiedenen Demonstratoren und Funktionsmuster aufgebaut. Dabei werden in zwei Workstreams im Konsortium der DC-DC-Konverter und die Ladewandler bearbeitet. Zur Ansteuerung und Regelung der Leistungssteller kommt wiederum die Regelungsplattform aus AP2 zum Einsatz. Im Labor sollen dann verschiedene Messungen durchgeführt werden, womit die Leistungsfähigkeit nachgewiesen wird und eine Identifizierung von Optimierungsmöglichkeiten erfolgt.

Durchgeführt werden beispielsweise: Leistungs- und Wirkungsgradmessung unter verschiedenen Betriebs-bedingungen (Spannung, Leistung, Umgebungstemperatur), Temperaturmessung an kritischen Stellen des Wandlers und EMV-Messungen, die nachweisen, inwiefern die EMV-Grenzwerte eingehalten worden sind. Anschließend erfolgt von Audi eine Validierung nach Automotive-Standards.

Um die Ziele im AP6 , speziell das Lebensdauermodell für GaN-Bauelemente auf Leiterkarte, zu erreichen, sollen Prüfmuster entwickelt, aufgebaut und mit unterschiedlichen Methoden getestet werden. Hierzu zählen Automobil-Qualifizierungs-, sowie Umwelt- und Temperaturwechseltests. Durch Variation der AVT und Testbedingungen soll das angestrebte Modell erstellt und mittels Materialkennwerten kalibriert werden. Durch den Input der Schalt- und Durchlassverluste der Demonstratoren soll über Lastkollektive die tatsächliche Lebensdauer in einem späteren Betrieb prognostiziert werden.