Sie waren hier: http://www.bayern-innovativ.de/leistungselektronik2013/bericht
Kooperationsforum mit Fachausstellung

Leistungselektronik

Maritim Hotel, N├╝rnberg
21. Oktober 2013

Bericht

Durch ihre hohe Dynamik gilt die Leistungselektronik als Schlüsseltechnologie für neue Funktionalität und Wertschöpfung. In vielen Branchen beruhen aktuelle Trends auf Entwicklungen in der Leistungselektronik. Maßgebliche Beispiele hierfür sind die Steigerung der Energieeffizienz in der Produktionstechnik, höchste Zuverlässigkeit und Störsicherheit im Energieübertragungssystem sowie bei der Steuerung von Industrierobotern oder medizinischen Geräten. Auch der derzeitige Ausbau der dezentralen Netzeinspeisung erneuerbarer Energien oder das Antriebs- und Batteriemanagement im Automobilwerden durch Weiterentwicklungen in der Leistungselektronik als Komponente in der Elektromobilität ermöglicht.

Die Funktion der Leistungselektronik besteht in der präzisen, hocheffizienten, und zuverlässigen Steuerung des elektrischen Energieflusses bedarfsgerecht für unterschiedlichste Verbraucher. „Die Leistungen reichen von wenigen Watt bis in den Gigawattbereich“, so Jürgen Frickinger, Projektmanager BAIKEM bei der Bayern Innovativ GmbH in seiner thematischen Einführung in das fünfte Kooperationsforum „Leistungselektronik“. Das Forum wurde am 21. Oktober 2013 in Nürnberg von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerkes BAIKEM gemeinsam mit dem Cluster Leistungselektronik im European Center for Power Electronics (ECPE) e. V. ausgerichtet. Mehr als 170 Experten aus Deutschland, Österreich, und der Schweiz sowie 20 Aussteller kamen in Nürnberg zusammen, um Innovationsansätze zielgerichtet voranzutreiben. Mit dabei waren Hersteller von Halbleiterbauelementen, Systemen und Komponenten aber auch Experten für Materialwissenschaften und Verbindungstechnik sowie zahlreiche Anwender aus den Bereichen Automotive, Industrie- und Anlagenbau und Energie.

Vielfalt und Anforderungen an die Leistungselektronik nehmen ständig zu, wie Thomas Harder, Clustergeschäftsführer im ECPE e. V., in seinem fachlichen Übersichtsvortrag zu technologischen Herausforderungen ergänzte. In vielen Branchen erfordert dies kontinuierliche Weiterentwicklungen und neue Lösungsansätze entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Aktuelle Beispiele für Herausforderungen sind die Verwendung neuer Substratmaterialien und eine weitere Miniaturisierung für die zunehmende Integration elektronischer Funktionen in komplexe, begrenzte Bauräume. Zukünftige Anwendungen erfordern vermehrt eine Steigerung der Leistungsfähigkeit und der Intelligenz von Anlagen. Die Zielsetzung der Energieeinsparung verlangt zudem höchste Effizienz bei der Umwandlung von Energie.

Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:

Neue Materialien und Systemintegration verbessern Funktionalität und Lebensdauer

Dr. Roland Rupp, Leiter der SiC Technologieentwicklung bei Infineon Technologies in München, erläuterte Potenziale und Voraussetzungen für die Verwendung neuer Materialien in der Leistungselektronik am Beispiel von SiC und GaN. Bauelemente basierend auf diesen Materialien erlauben im Vergleich zur Siliziumtechnologie nahezu verlustfreies Schalten, sind deutlich robuster und zeigen selbst bei Temperaturen über 200°C stabiles Halbleiterverhalten. Einen weiteren Performance-Gewinn für SiC-Dioden erzielten die Entwickler bei Infineon durch Diffusionslöten und später durch den Einstieg in die Dünnwafertechnologie. Durch die Reduzierung der Chip-Dicke von 350 µm auf 110 µm konnten sowohl der thermische Widerstand als auch Temperaturunterschiede im System signifikant reduziert werden. Der so verringerte thermo-mechanische Stress erhöht die Zuverlässigkeit und steigert den Wirkungsgrad. Dies ermöglicht bei konstanten Betriebsparametern eine deutlich längere Lebensdauer oder erlaubt eine Erhöhung der Leistungsdichte bei gleicher Lebensdauer. SiC basierte Komponenten haben sich mittlerweile etabliert während bei GaN trotz des hohen Potenzials gerade für hohe Schaltfrequenzen noch eine weitere Optimierung des Reifegrades nötig ist. Komponenten auf Basis von SiC und GaN werden laut Dr. Rupp weiter an Bedeutung gewinnen, Innovationen auf Si-Basis dominieren aber auch in Zukunft die Leistungselektronik.

Die von Dr. Uwe Scheuermann, Manager Produktzuverlässigkeit bei Semikron in Nürnberg, vorgestellte SKiN-Technologie ist lot- und bonddrahtfrei und verwendet keine Wärmeleitpaste mehr. Sie ersetzt die Bonddrähte durch eine flexible Folie sowie Lötverbindungen und die Wärmeleitpaste durch Sinterverbindungen. Dadurch ermöglicht sie eine Verdoppelung der Stromdichte mit 3 A/cm2 im Vergleich zur Standard-Verbindungstechnik mit Bonddrähten mit 1,5 A/cm2. Das Volumen eines Umrichters wird dadurch um 35 % reduziert. Besonders für Umrichter in Fahrzeugen und Windkraftanlagen ist die platzsparende Technologie optimal. Eine höhere Stoßstromfestigkeit und eine 10 Mal höhere Lastwechselfestigkeit, die bei bisherigen Aufbauten mit limitierenden Bonddrähten nicht erreichbar war, ist damit möglich. Die neue Verbindungstechnologie ermöglicht durch die hohe Lastwechselfähigkeit höhere Betriebstemperaturen, die bei den zukünftigen Halbleiterbauelementen in SiC- oder GaN-Technologie optimal ausgenutzt werden können.

Mit fortschreitender Miniaturisierung bei gleichzeitig gesteigerter Funktionalität werden in der Chipfertigung auch neue Packaging-Technologien notwendig. Begrenzendes Element für höhere Schaltfrequenzen und größere Stromdichten ist in den jetzigen Aufbauten die Bonddraht-Anbindung des Halbleiterbauelementes an die weiterführenden Kontakte. Die bei der Robert Bosch GmbH entwickelte Molded Multi Chip Power Packages (MCPPs) weisen deshalb ohne Bonddrähte eine dreifach gesteigerte Zuverlässigkeit auf, wie Dr. Dirk Brinkmann, Vice President Engineering Power Semiconductors and Modules, anhand von IGBTs und MOSFETs für Automotive-Anwendungen zeigte. MOSFETS (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) werden im Niederspannungsbereich von 60 bis 80 V eingesetzt, während in Hybrid- und Elektrofahrzeugen IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) für Anwendungen bei mehr als 200V und 500A benötigt werden. Erfolg verspricht die MCPP-Technologie laut Brinkmann aufgrund der vertikalen Integration und des neuen Kupfersubstrats. Vorteile sind kleinere Chip-Flächen, sinkende Verlustleistungen, geringere Parasitärinduktivitäten und ein reduzierter thermischer Widerstand aufgrund besserer Kühlung.

In Ergänzung zum Packaging bietet sich die Leiterplattentechnologie für Verbesserungen in der Systemintegration an, wie Lars Böttcher, System Integration und Interconnection Technlogies, Fraunhofer IZM, Berlin erläuterte. Speziell mit der Embedded Technologie können ungehäuste Chips aber auch passive Bauelemente direkt in Innenlagen kontaktiert werden. Dies erlaubt eine weitere Miniaturisierung bei gleichzeitiger Integration von Leistungselektronik und Logik in einem System. Je nach Anforderung an Leistungsdichte und Kühlung kann auf einen ganzen Baukasten bewährter Leiterplattentechnologien zugegriffen werden. Die Drähte können als Verbindung zwischen Leiterplatten verwendet werden und ersetzen damit teure Steckkontakte. Neben dem Design der Leiterplatte ist auch die Verwendung modifizierter hochtemperaturbeständiger Basismaterialien, wie Keramik, von entscheidender Bedeutung, um ein verbessertes Wärmemanagement in der Leiterplatte zu erreichen und Anwendungen zu adressieren. Erste Simulationen wurden durchgeführt, weitere Hardwaretests zu Funktionalität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer müssen jedoch noch folgen.

Die angesprochen Beispiele machen deutlich: es gilt, aus einer immer größer werdenden Menge von möglichen Aufbauvarianten unter Berücksichtigung der Betriebsparameter die beste Option zu finden.

Elektromobilität bleibt ein wesentlicher Treiber für Innovationen

Haupttreiber für Innovationen in Produktapplikationen sehen die meisten Experten nach wie vor in der Elektromobilität und der dezentralen Netzeinspeisung erneuerbarer Energien.

Die Bedeutung der Leistungselektronik für die Elektromobilität veranschaulichte Dr. Martin März, stellvertretender Institutsleiter am Fraunhofer IISB in Erlangen, mit einem komplett neuen Ansatz für das Tankszenario bei Elektrofahrzeugen Die bisherigen Systeme basierten auf Ladekabelverbindungen, die wenig praktikabel noch wirtschaftlich darstellbar sind. Der Schlüssel für den Erfolg liegt laut Dr. März in einem kontaktlosen Ladesystem mit ubiquitärem Netzzugang – zuhause, am Arbeitsplatz und im Alltag auf öffentlichen Parkplätzen. Elektronisch umschaltbare Induktoren hinter dem vorderen Nummernschild am Fahrzeug und in der Ladesäule bilden einen orthogonalen Spulensatz, bei dem nur sich gegenüberliedende Spulen aktiv sind. Vorteile gegenüber bisherigen Batterieladetechniken sind ein minimales Streufeld, hohe Effizienz, keine Verschleißteile, Kompatibilität mit Netzdienstleistungen (V2G) und niedrige Systemkosten.


Die Elektrifizierung von Fahrzeugen macht mittlerweile selbst vor mobilen Arbeitsmaschinen nicht halt, wie Harald Dietel, Projektmanager Elektrifizierung bei der STW Sensor-Technik Wiedemann Gmbh aus Kaufbeuren erläuterte. In seiner Funktion als Leiter der Projektgruppe „High Voltage“ in der AEF, Agricultural Industry Electronics Foundation, präsentierte er Feldtestergebnisse mit Landmaschinen. Neben den „typischen“ Anforderungen für Elektronik im Bereich Elektromobilität, wie Funktionalität, Sicherheit und Präzision stellen die rauen Einsatzbedingungen die Elektronik vor zusätzliche Herausforderungen. So gilt es, sowohl Schutz vor Regen, Schmutz, Staub oder landwirtschaftliche Chemikalien als auch eine geringe Störanfälligkeit bei starken Vibrationen oder Temperaturschwankungen zu gewährleisten. Laut Herrn Dietel zeigen die ersten Tests, dass man hier bereits auf einem guten Weg ist, um in Zukunft Traktoren mit einem Generator und elektrischen Schnittstellen, wie zum Beispiel standardisierte Stecker und Steckdosen auszurüsten.

Steigerung der Netzqualität bei dezentraler Einspeisung erneuerbarer Energien

Unter den erneuerbaren Energiearten weist die Photovoltaik eine große Dynamik auf. Damit dies trotz sinkender Förderraten so bleibt, müssen auch die Kosten für die Systemtechnik weiter gesenkt werden. Dies gilt insbesondere für Wechselrichter zur Netzeinspeisung, einem Produktbereich, in dem deutsche Hersteller nach wie vor den Markt dominieren. Regenerative Energien und innovative Energiewandler werden milliardenfach dort eingesetzt, wo eine netzunabhängige Stromversorgung benötigt wird. Dies gilt für Menschen in ländlichen Regionen, für technische Anlagen in der Telekommunikation und für tragbare Elektronikgeräte.

Im Fraunhofer ISE in Freiburg wird speziell an neuen technischen Lösungen geforscht, die eine flächendeckende Energieversorgung auch in abgelegen Gebieten ermöglichen. Im Fokus stehen die Regionen, in denen der Bedarf an elektrischem Strom hauptsächlich durch Dieselgeneratoren abgedeckt wird. In der Regel bietet sich dort die Photovoltaik als elektrische Energiequelle an, in einem Forschungsprojekt wird daher die Systemtechnik für PV-Hybridsysteme weiter entwickelt. Dr. Oliver Stalter, Leiter der Abteilung Leistungselektronik am Fraunhofer ISE, erläuterte die anlässlich eines Projektes für ein Dorfstromversorgungssystem entwickelten Komponenten – ein PV-Generator, ein hybrides Batteriesystem, ein Wechselrichter, ein PV-Batterieladegerät sowie ein übergeordnetes Energiemanagement. Über das Ladegerät im hybriden Batteriesystem wird die photovoltaisch erzeugte Energie zwischengespeichert, sollte der aktuelle Verbrauch nicht hoch genug sein. Für den Fall, dass die benötigte Energie nicht über Photovoltaik bereitgestellt werden kann, wird sie aus der Batterie entnommen. PV-Hybrid-Inselsysteme haben laut Dr. Stalter durchaus Zukunft, da sie nicht nur die Umweltbelastung verringern, sondern auch die Energieversorgung effizienter, zuverlässiger und kostengünstiger gestalten.

Die vermehrte dezentrale Einspeisung von Strom aus Photovoltaik- und Windanlagen wirft bei elektrischen Energieversorgungsnetzen neue Herausforderungen auf,  insbesondere hinsichtlich Belastungsfähigkeit und Störaussendungen leistungselektronischer Systeme, wie beispielsweise Oberschwingungen. Prof. Dr. Norbert Graß, Leiter des Instituts für leistungselektronische Systeme an der Technischen Hochschule Nürnberg, erläuterte, wie ein innovatives Kommunikations- und Systemkonzept zur Lösung von Echtzeit-Regelaufgaben in Energieverteilnetzen hier helfen könnte. Die Netzqualität könnte mit diesem Konzept kostengünstig, örtlich differenziert und zeitnah erfasst werden. Die Ansteuerung der dezentralen Wechselrichter würde einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der übertragbaren Leistung erzielen. Als konkrete Verbesserungen der Netzqualität nannte er die Stabilisierung der Spannung, die Kompensation der Blindleistung und die Filterung von Oberschwingungen. Er belegte dies mit ersten Daten aus dem Projekt NETZQ, in dem eine entsprechende Gerätetechnik entwickelt wird. Die Erprobung dieses Lösungsvorschlages erfolgt exemplarisch in einem Modellversuch in zwei Teilnetzen – für einen städtischen und einen ländlichen Raum.

In der Motorentechnologie werden durch Frequenzumrichter oft starke elektrische Störsignale auf der Motorzuleitung erzeugt, die andere Verbraucher stören können. Frequenzumrichter werden bei Drehstrommotoren vor allem gebraucht, um das Anlauf- und Drehzahlverhalten zu verbessern oder zu erweitern. Wettbewerb, Kostendruck und Innovationen haben dazu geführt, dass Frequenzumrichter in den letzten Jahren immer kompakter und günstiger und die Anwendungsbereiche stetig größer und vielfältiger geworden sind. Auch die Ausstattung ist gewachsen und so bieten Hersteller heute Geräte mit integrierten EMV-Netzfiltern an. Allerdings ist die EMV nur für einen genau definierten Einsatzbereich sichergestellt. Wird der Frequenzumrichter außerhalb der Spezifikationen dieses einen Einsatzbereiches verwendet, sind zusätzliche Entstörmaßnahmen mit einem externen Filter erforderlich. Dies ist nicht selten aufwändiger und letzten Endes mit höheren Systemkosten verbunden, wie Christian Paulwitz, Leiter des EMV-Labors bei der EPCOS AG in Regensburg – seit kurzem ein Mitglied der TDK-Familie, anschaulich an zahlreichen Beispielen verdeutlichte.

Die Diskussionen während des BAIKEM Kooperationsforums über die vorgestellten technischen Möglichkeiten und Anwendungspotenziale der Leistungselektronik machten deutlich: Innovationen in der Leistungselektronik erfordern eine intensive Zusammenarbeit in der gesamten Wertschöpfungskette.

Jürgen Frickinger, Projektmanager BAIKEM bei der Bayern Innovativ GmbH, Nürnberg, fasste abschließend die Kernaussagen des Forums zusammen und gab einen Ausblick auf anstehende Symposien und Foren zur Leiterplattentechnologie, Elektromobilität, Energieeffizienz und Smart Metering in 2014. Die Präsenz zahlreicher namhafter Firmen und Forschungseinrichtungen aus einem weiten Spektrum von Branchen begeisterte die Teilnehmer auf diesem Forum und führte zu vertiefenden und neuen Kontakten für weitere Innovationen im dynamischen Feld der Leistungselektronik. Die Teilnehmer bekundeten aufgrund der Bedeutung und der Innovationsdynamik bereits großes Interesse an einer weiteren Auflage des Kooperationsforums „Leistungselektronik“.

Fachlicher Ansprechpartner 
Jürgen Frickinger
Tel. +49 911-20671-160
Fax +49 911-20671-733