Leistungselektronik

Komponenten – Systemintegration – Energieeffizienz

27. Oktober 2011, Hilton Hotel, Nürnberg

Nachbericht

Leistungselektronik bleibt Schlüsseltechnologie in zahlreichen Branchen
Trend zu höherer Leistungsdichte, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz
Drittes BAIKEM Forum mit 200 Experten von Wirtschaft und Wissenschaft

Durch ihre hohe Dynamik gilt die Leistungselektronik als Schlüsseltechnologie für neue Funktionalität und Wertschöpfung in zahlreichen Branchen. Maßgebliche Trends sind die Steigerung der Energieeffizienz in der Produktionstechnik, die Verbesserung der Zuverlässigkeit bei der Steuerung von Industrierobotern und medizinischen Geräten, der Ausbau der dezentralen Netzeinspeisung erneuerbarer Energien oder die weiter zunehmende Elektrik und Elektronik im Automobil, bedingt auch durch Entwicklungen für Elektromobilität.

Die Funktion der Leistungselektronik besteht zum Einen darin, mithilfe von Halbleiterbauelementen elektrische Energie möglichst effizient in die von den verschiedenen Anwendungen benötigte Frequenz, Phase und Spannung zu bringen. Zum Anderen dient die Leistungselektronik dem bedarfsgerechten Ansteuern elektrischer Verbraucher. „Die Leistungen reichen dabei von wenigen Watt bis in den Gigawattbereich entsprechend dem breiten Anwendungsspektrum", so Prof. Dr. Josef Nassauer, Geschäftsführer der Bayern Innovativ GmbH bei seiner thematischen Einführung in das dritte Kooperationsforum „Leistungselektronik". Dieses wurde am 27. Oktober 2011 in Nürnberg von der Bayern Innovativ GmbH im Rahmen des Netzwerkes BAIKEM gemeinsam mit dem ECPE e.V./Cluster Leistungselektronik ausgerichtet. Rund 200 Experten aus Deutschland, Österreich, und der Schweiz sowie 14 Aussteller kamen in Nürnberg zusammen, um zielgerichtet Innovationsansätze weiter voranzutreiben – Hersteller von Halbleiterbauelementen, Systemen und Komponenten, Experten für Materialwissenschaften und Verbindungstechnik sowie zahlreiche Anwender aus dem Bereich Automotive, dem Industrie-Anlagenbau und dem Energie-Sektor.

Vielfalt und Anforderungen bezüglich Applikationen für Leistungselektronik nehmen dabei ständig zu, wie Prof. Dr. Leo Lorenz, Sprecher des Cluster Leistungselektronik und Senior Principal New Technologies bei Infineon in München, in seinem fachlichen Übersichtsvortrag zur Rolle und Bedeutung der Leistungselektronik ergänzte. Dies erfordert kontinuierliche Weiterentwicklungen und neue Lösungsansätze entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Zu den aktuellen Trends zählt die zunehmende Integration elektronischer Funktionen in komplexe, begrenzte Bauräume. Als technologische Herausforderungen ergeben sich dadurch eine weitere Miniaturisierung und Systemintegration. Die Zielsetzung der Energieeinsparung verlangt zudem höchste Effizienz bei der Umwandlung von Energie schon auf der Ebene der Halbleiter. Speziell bei Netzteilen geht die Tendenz zu höheren Schaltfrequenzen bis in den Bereich einiger hundert kHz um höhere Energiedichten zu ermöglichen. Hier sind neben den Herstellern der Hableiterbauelemente auch die Entwickler der passiven Bauelemente gefordert.

Die nachfolgenden Inhalte sind wie folgt gegliedert:

Neue Materialien verbessern Leistungsdichte und Lebensdauer

Großes Innovationspotenzial liegt in der Verwendung neuer Materialien, wie Dr. Peter Friedrichs, Senior Director SiC bei Infineon, Erlangen, an den Beispielen Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erläuterte. Halbleiterbauelemente 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. Die Steigerung des Wirkungsgrades um 1-2 % ermöglicht bei konstanten Betriebsparametern eine deutliche Steigerung der Lebensdauer oder erlaubt eine Erhöhung der Leistungsdichte bei gleicher Lebensdauer. SiC basierte Komponenten haben sich mittlerweile bereits 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. Friedrichs weiter an Bedeutung gewinnen, Innovationen auf Si-Basis werden aber auch in Zukunft die Leistungselektronik dominieren. Schwerpunkt liegt bei der Si-Technologie auf der Evolution des internen, geometrischen Aufbaus des Halbleiter-Schaltkreises.

Auch bei passiven Bauelementen, wie Kondensatoren und Transformatoren werden neue und verbesserte Materialien eingesetzt, wie Johann Winkler, Geschäftsführer der Sumida Components & Modules GmbH in Obernzell in seinem Vortrag über das BMBF Projekt EPa aufzeigte. Das Projekt hat zum Ziel, deutliche Verbesserungen bei den passiven Bauelementen hinsichtlich Baugröße, Energieverlusten und Hochfrequenzeigenschaften zu realisieren. Das Augenmerk liegt auf Folienkondensatoren mit veränderten Filmen, Mehrlagenkondensatoren mit keramischen Werkstoffen für gute dielektrische Eigenschaften sowie induktiven Bauelementen mit höherer Energiedichte und effizienterer Kühlung. Ziel des Projektes ist ein Demonstrator eines mobilen Ladegerätes für Elektrofahrzeuge mit deutlich verkleinerten räumlichen Abmessungen.

Neueste Entwicklungen bei Materialien und Konzepten für das thermische Management in der Leistungselektronik präsentierte Prof. Dr. Eckhard Wolfgang, ECPE e.V., Nürnberg. Wärmeleitfolien mit Thermischen Interface Materialien (TIM) erfüllen als Alternative zu Wärmeleitpasten die Funktion eines „thermischen Kitt" zwischen Komponenten – wie die Anbindung von Leistungsschalter an einen Kühler. Anforderungen bei der Kühlung und Entwärmung von Li-Ionen Batterien oder Solar-Wechselrichter sind hohe Abrieb- und Zugfestigkeit, Temperaturwechselfestigkeit, Korrosionsfestigkeit und Kenntnisse der topographischen Verhältnisse, wie Wölbung oder Oberflächenrauhigkeit. „Nur wenn man die Anwendung kennt, kann man die passende TIM-Folie auswählen", so Prof. Wolfgang. Für die Produktionssicherheit in der Massenproduktion haben Wärmeleitfolien Vorteile gegenüber Wärmeleitpasten, insbesondere wenn eine elektrische Isolation erforderlich ist.

Systemintegration für mehr Funktionalität in immer komplexeren Bauräumen

Mit der Weiterentwicklung der Chipfertigung zu kleineren Bauelementen bei gleichbleibenden elektrischen Kenngrößen sind 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 von Peter Beckedahl, Leiter Applikation und Vorentwicklung bei Semikron in Nürnberg, vorgestellte SKiN-Technologie ist lot- und bonddrahtfrei und verwendet ebenfalls 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 diese zuverlässige und 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 ohne Kompromisse optimal ausgenutzt werden können.

Karl Weidner, Principal Engineer im Global Technology Field Microsystems der Siemens AG, Corporate Technology in München, präsentierte Details zu einer weiteren einzigartigen planaren Verbindungstechnologie, der „Siemens Planar Interconnect Technologie" SiPLIT. Diese verwendet zur Isolierung eine 50 - 250 µm dünne Folie, die blasenfrei über die Bauelementestruktur gelegt werden kann. Über ein Laserverfahren werden anschließend die Kontakte freigelegt, die Oberfläche metallisch beschichtet und mittels einer Standard-Photogalvanik strukturiert. Es entstehen Kontaktanbindungen, die eine äußerst flache Bauweise ermöglichen und im Vergleich zu normalerweiser verwendeten Bonddrähten geringere Streuinduktivitäten verursachen. Zudem ist eine doppelseitige Kühlung möglich. Als innovative Anwendung aus dem Bereich Industrieelektronik nannte Herr Weidner ein bereits realisiertes Leistungsmodul für Motorumrichter, welches bei elektrischen Tests eine um 400 % gesteigerte Lastwechselfestigkeit nachweisen konnte.

Als weitere Alternative zum Packaging bietet sich die Leiterplattentechnologie an, wie Thomas Gottwald, Leiter der Produktentwicklung bei der Schweizer Electronic AG in Schramberg 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 dabei auf einen ganzen Baukasten bewährter Leiterplattentechnologien zugegriffen werden. Speziell für hohe Ströme bietet sich die Wirelaid-Technologie an Hier werden Kupferflachdrähte als Hochstromleiter in die Innenlagen der Leiterplatten eingebracht. Diese Technologie stellt eine Alternative zu der großflächigen Dickkupfertechnik dar. Zudem können die Drähte als Verbindung zwischen Leiterplatten verwendet werden und ersetzen damit teure Steckkontakte. Neben der Verwendung modifizierter hochtemperaturbeständiger Basismaterialien ist auch das Design der Leiterplatte von entscheidender Bedeutung, um ein verbessertes Wärmemanagement in der Leiterplatte zu erreichen.

Die angesprochen Beispiele machen deutlich: es gilt aus einer immer größer werdenden Menge von möglichen Aufbauvarianten unter Berücksichtigung der Betriebsparameter die kostengünstigste Version zu finden. Hierzu werden vermehrt Simulationsmethoden eingesetzt. Eine klassische 3D FEM Simulation mit Berücksichtigung des Wämehaushaltes und der elektrischen Parameter wird hier aber sehr schnell zeitaufwändig. Andrija Stupar, in der Schweiz sowohl bei der Gecko-Research GmbH als auch bei der ETH Zürich tätig, verfolgt mit der gemeinsam mit Andreas Müsing entwickelte Leistungselektronik-Simulationssoftware GeckoCIRCUITS einen anderen Weg: die vereinfachte und schnelle Modellierung leistungselektronischer Module und Systeme. Kern ist die Simulation des elektronischen Verhaltens des Gesamtsystems an die Modelle für Energieverlust in den Bauelementen, Kühlung, Elektromagnetische Felder und Hochfrequenzverluste gekoppelt werden. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit analytischen Methoden. Mit einer typischen Rechenzeit von wenigen Minuten lassen sich so die Betriebsparameter in einem weiten Bereich optimieren. Im nächsten Schritt sollen auch transiente Vorgänge, z.B. das Einschalten betrachtet werden.

Potenziale in Elektromobilität, Industrieanlagen und Stromnetzen

Anhand weiterer Anwendungsbeispiele erläuterte Dr. Martin März vom Fraunhofer IISB in Erlangen die Bedeutung der Leistungselektronik für die Elektromobilität. Als Schlüsseltechnologie für intelligente Batteriesysteme und e-Antriebe hob er die modulare Integration der Leistungselektronik direkt am Verbraucher hervor. Sie reduziert Systemkomplexität, Kosten, Verkabelung, Gewicht und Bauraumbedarf ohne dabei Skalierbarkeit und Servicefreundlichkeit zu verschlechtern. Für die Serienfertigung sind allerdings noch geeignete, Produktionsprozesse zu entwickeln.

Romain Ricci, Market Development Manager Home Appliances der ST Microelectronics D & A GmbH in Grasbrunn, zeigte mit anschaulichen Praxisbeispielen wie eine effiziente Stromversorgung in Gebäuden durch Smart Grid-Anbindung gelingt. Voraussetzung ist ein Leistungsmonitoring in allen Geräten und deren Vernetzung durch Funk mit ZigBee oder über das 220 V Netz mit Powerline Communication. Entsprechende Controller und eine zentrale Bedienkonsole werden von ST Microelectronics im Rahmen des Projektes entwickelt. Somit lassen sich unnötige Stromverbraucher identifizieren und auch automatisiert abschalten. Weiterhin ist das System auch an die Stadtwerke angebunden und kann dann je nach Strompreisangebot auch die Stromabnahme und die Lastverteilung im Gebäude optimiert steuern.

Anwendungspotenziale der Leistungselektronik in elektrischen Netzen erläuterte Dr. Hans-Joachim Knaak, Technology Manager im Bereich HVDC & FACTS bei der Siemens AG in München, am Beispiel von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) für Offshore-Windparks und Wüstenstrom. Technologische und wirtschaftliche Herausforderungen ergeben sich durch die zunehmende Komplexität der Netze von aktuellen Punkt-zu-Punkt Verbindungen über Multi-Terminal-Verbindungen bis hin zum Supergrid. Dazu kommt die Entwicklung neuer Hochspannungskonverter mit verbessertem Wirkungsgrad. Projekte wie „Desertec Industrial Initiative" DII für die Einspeisung von Solarenergie aus Afrika erfordern zusätzlich die Klärung rechtlicher und politischer Voraussetzungen.

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 Mikrosystemtechnik in 2012. Die Präsenz zahlreiche 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".