Een DC-DC converter zo klein als een smartphone

Een DC-DC-convertor is een elektronisch toestel dat gelijkspanning (DC) omzet naar een andere gelijkspanning. Zo kan het bijvoorbeeld een hogere spanning verlagen of een lagere spanning verhogen. DC-DC-convertoren zorgen er dus voor dat elektrische systemen met verschillende spanningsniveaus toch efficiënt met elkaar kunnen samenwerken.
Het onderzoek naar DC-DC-convertoren maakt deel uit van EnergyVille’s Homelab.

Hans studeerde industrieel ingenieur elektromechanica in Diepenbeek en werkte na zijn studies anderhalf jaar bij Magcam, een spin-off van imec. Toch bleef het idee van een doctoraat kriebelen. Via zijn masterproef kwam hij in contact met professor Wilmar Martinez (EnergyVille/KU Leuven).

"Er was meteen een goede klik”, vertelt Hans. “Wat me vooral aansprak, was de vrijheid om nieuwe ideeën uit te proberen. Ik heb tijdens mijn doctoraat veel ruimte gekregen om soms ook gewoon zotte ideeën te testen."

Die vrijheid bleek cruciaal. Hans richtte zich op vermogenselektronica voor elektrische voertuigen, meer specifiek op DC-DC-converters. Eén van de grootste uitdagingen binnen zulke converters is de transformator, een component die traditioneel veel plaats inneemt.

Niet gewoon een beetje kleiner, maar fundamenteel anders

In de ingenieurswereld draait innovatie vaak om incrementele verbeteringen. Een component wordt iets efficiënter, iets lichter of iets goedkoper. Hans wilde bewust verder kijken.

"Als academisch onderzoeker krijg je de kans om te zoeken naar ideeën met een grotere impact. Bedrijven als Tesla of Volkswagen beschikken over veel grotere budgetten. Wij kunnen net proberen om fundamenteel nieuwe concepten te ontwikkelen."

Zo ontstond het idee om niet simpelweg een bestaande transformator te optimaliseren, maar volledig anders naar het ontwerp te kijken. Het uitgangspunt was verrassend eenvoudig: hoe maak je een transformator niet alleen kleiner, maar vooral veel platter?

Dat leidde tot een nieuwe PCB-gebaseerde transformatorarchitectuur (die platte koperen sporen als wikkelingen gebruikt op de lagen van een printplaat in plaats van traditionele koperdraden) waarbij de koperbanen op een specifieke manier doorheen de printplaat worden geleid. Dankzij zogenaamde snake windings kunnen veel meer wikkelingen worden gerealiseerd zonder extra koperlagen toe te voegen.

Hans legt uit: "Normaal bots je altijd op een compromis. Meer wikkelingen betekenen meestal meer complexiteit of een groter ontwerp. Bij deze architectuur gebeurt net het omgekeerde. Hoe meer wikkelingen we toevoegen, hoe compacter het patroon wordt, wat leidt tot zeer vlakke transformatoren."

Waar conventionele PCB-transformatoren moeilijk opschalen naar een groot aantal wikkelingen, laat de nieuwe architectuur zo toe om met slechts vier PCB-lagen een zeer groot aantal wikkelingen te realiseren. Dat verlaagt de magnetische flux en maakt het mogelijk om de volledige transformator uitzonderlijk dun uit te voeren.

Eureka-moment, of juist niet?

"Je werkt jarenlang aan hetzelfde probleem”, legt Hans uit. “Je probeert voortdurend oplossingen te bedenken en even vaak blijken ze niet te werken. Uiteindelijk kwam dit idee tijdens een avond waarop ik schetsen maakte op mijn iPad. Het potentieel was duidelijk, maar zoals altijd bij nieuwe ideeën bleef ik sceptisch."

“De echte kick kwam pas veel later, toen het prototype ook effectief werkte in het labo. Dat was het moment waarop ik dacht: yes, we did it."

De beslissing om te focussen op het verkleinen van DC-DC converters was niet zonder risico. Terwijl zijn doctoraat bijna afgerond was, besloot Hans om een groot deel van zijn eerdere onderzoekswerk opzij te schuiven en volledig in te zetten op dit nieuwe concept.

"Ik had eigenlijk alles wat ik nodig had om mijn doctoraat af te werken. Maar dit idee had veel meer potentieel. Dus heb ik beslist om alles op alles te zetten en één prototype te bouwen. Als dat niet werkte, had ik eigenlijk niets."

Waarom kleiner belangrijk is

Een compactere DC-DC-converter betekent niet automatisch dat een elektrische wagen plots honderden kilometers verder kan rijden. Volgens Hans zit de grootste winst elders.

Natuurlijk bespaar je ruimte en gewicht in een voertuig. Dat maakt het eenvoudiger om alle componenten te integreren en geeft ontwerpers meer vrijheid. Compactere aandrijflijnen blijven een belangrijk doel binnen de automobielsector. Verder is mijn ontwerp vooral ook makkelijk automatisch te assembleren en gebruikt het goedkope fabricagetechnieken."

En buiten de automotivewereld?

Hans: "Naast de automotivesector, zijn datacenters misschien wel de meest interessante toepassing voor de verkleinde DC-DC converter. De vermogens die moderne AI-chips nodig hebben, stijgen ongelofelijk snel. Die energie moet op een efficiënte manier van honderden volts naar een fractie van een volt worden omgezet."

Vandaag gebeurt dit in meerdere stappen, en erg inefficiënt. Door transformatoren veel compacter en platter te maken, kunnen ze dichter bij of zelfs onder de chips geplaatst worden, waardoor energieverliezen sterk verminderen.

"Daar kan deze technologie echt een verschil maken. Niet alleen omdat alles compacter wordt, maar omdat ze toepassingen mogelijk maakt die vandaag moeilijk realiseerbaar zijn."

Onderzoek begint waar de antwoorden nog niet bestaan

Volgens Hans ligt net daar ook de kracht van academisch onderzoek.

"In de automotivewereld worden nieuwe technologieën voorzichtig ingevoerd. Bij AI en datacenters liggen de uitdagingen veel fundamenteler. Niemand weet vandaag exact hoe we de volgende generatie chips van voldoende energie zullen voorzien. Dat maakt het net zo'n interessant onderzoeksdomein."

Ondertussen is voor de technologie een patentaanvraag ingediend. Voor Hans is dat een mooie volgende stap, maar niet het eindpunt.

"Onderzoek betekent voortdurend nieuwe problemen ontdekken. Elke oplossing brengt weer nieuwe uitdagingen met zich mee. En net dat maakt het zo boeiend."