Die Wide-Bandgap (WBG)-Halbleitertechnologie und künstliche Intelligenz revolutionieren gemeinsam die Leistungselektronik. Eine neue Klasse von intelligenten leistungselektronischen Systemen erschließt neue Leistungs- und Anwendungsbereiche. Die hohen Anforderungen der Systementwicklung wirken sich auf die gesamte Wertschöpfungskette der Leistungselektronik aus. Dies gilt insbesondere für Halbleitermaterialien und -bauelemente sowie für die Aufbau- und Verbindungstechnik. Extreme Betriebs- und Umgebungsbedingungen erfordern maximale Zuverlässigkeit und höchste Leistungsfähigkeit. Auf der PCIM Europe 2024 präsentieren das Fraunhofer IISB, das Fraunhofer ISIT und das Fraunhofer IMS gemeinsam die gesamte Wertschöpfungskette der Leistungselektronik der nächsten Generation.

Vollelektrische Gesellschaft

In der Leistungselektronik vollzieht sich ein grundlegender Wandel. Zwei sehr dynamische Sektoren sind derzeit die Auto-Motorelektronik und die Energietechnik. In beiden Anwendungsbereichen findet ein Wettlauf um immer effizientere, leistungsfähigere und kostengünstigere Leistungselektroniksysteme statt. Hinzu kommen erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der elektronischen Bauteile und Komponenten.

Die Hauptaufgabe der Leistungselektronik ist die Umwandlung und Verteilung von elektrischer Energie mittels elektronischer Schalter zwischen verschiedenen Quellen, Energiespeichern und Verbrauchern, die elektrisch miteinander verbunden sind. Diese Aufgaben erfüllt die Leistungselektronik sowohl in stationären Anwendungen, wie z.B. der Einbindung erneuerbarer Energiequellen in das Stromnetz, als auch zunehmend in mobilen Anwendungen, wie in batterieelektrischen Fahrzeugen. Die zentralen und entscheidenden Komponenten sind dabei die elektrischen Umrichter, die beispielsweise als Ladegeräte, Spannungswandler oder Antriebsumrichter eingesetzt werden können.

Schneller - Stärker - Höher

Mit Antriebsleistungen von bis zu 1000 kW und Reichweiten von über 1000 km haben elektrische Antriebsstränge für Elektroautos ein neues Niveau erreicht. Die elektrischen Umrichter bewegen sich in der Megawattklasse. Damit dringt die Fahrzeugelektronik vehement in den Bereich größerer Antriebe vor und erschließt weitere interessante Anwendungsfelder. Herausragende Beispiele sind die sich abzeichnende Elektrifizierung in Schiffen und in der Luftfahrt.

Die Hybridisierung, d.h. die Kombination von Verbrennungsmotoren oder Jet-Antrieben mit Brennstoffzellentechnologie und Batteriespeichern, verspricht enorme Einsparungen bei Kraftstoffverbrauch und Emissionen. Neben den Batterien wird auch Wasserstoff als Energieträger interessant. Die Wasserstofftechnologie eröffnet wiederum eigene technologische Möglichkeiten, wie z.B. die Konstruktion von kryogenen Umrichtern oder den Einsatz von supraleitenden Kabeln und Motorwicklungen. Allerdings stoßen die klassischen Siliziumbauteile an ihre physikalischen Grenzen, so dass der Einsatz von Halbleitern mit breiter Bandlücke wie Siliziumkarbid oder Galliumnitrid notwendig wird.

Durchstarten mit WBG

WBG-basierte Leistungsbauelemente bieten geringe Durchlassverluste, ermöglichen höhere Schaltfrequenzen und können hohe Ströme bei hohen Betriebsspannungen. Sie bieten hervorragende thermische Eigenschaften und eignen sich für den Betrieb einem breiten Temperaturbereich. Maßgeschneiderte Bauteil- und Prozesstechnologien, wie VDMOS, ebnen den Weg, um das Potenzial von WBG-Halbleitern für die Leistungselektronik voll auszuschöpfen. Was die industrielle Anwendung betrifft, so haben die Halbleitertechnologien SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid) haben sich auf dem Markt deutlich durchgesetzt. Allerdings gibt es auf Systemebene noch ungenutzte Vorteile auf Systemebene in Bezug auf Kosten, Effizienz und Bauvolumen. Die derzeitigen Forschungsaktivitäten konzentrieren sich auf ein tiefes Verständnis der Bauelementemerkmale und der Materialeigenschaften, nicht nur auf der Bauelementeebene. Bei der Entwicklung von WBG-fähigen Modulen, insbesondere GaN- und SiC-Leistungsmodulen, sind noch verschiedene technische Herausforderungen noch zu untersuchen. Um eine hocheffiziente leistungselektronische Umwandlung mit schnelles Schalten zu realisieren, müssen parasitäre Effekte minimiert werden. In diesem Zusammenhang ist die räumliche und funktionale Integration der Halbleiterschalter mit der Treibersteuerung von entscheidender Bedeutung. Neue Herausforderungen für WBG-Leistungsmodule ergeben sich aus extremen Temperaturen wie Tiefst- und Hochtemperatur Hochtemperaturanwendungen mit entsprechenden Anpassungen an die Gehäusetechnologie. Dementsprechend sind erweiterte Qualifizierungsmaßnahmen und Testverfahren erforderlich, die auch neuartige Ausfallmechanismen berücksichtigen. Die Luftfahrt ist mit ihren besonderen Umwelt- und Einsatzbedingungen eines der am schwierigsten zu erobern. Zuverlässigkeit ist hier der Schlüssel, denn die Ausfallraten müssen genau ermittelt werden und extrem niedrig sein. Und das Und das bei einem hervorragenden Leistungsgewicht.

Leistung trifft auf Intelligenz

Ein weiterer Trend in der Systementwicklung zeichnet sich ab: die fortschreitende Integration von Informations- und Kommunikationstechnik. Bordstromnetze für Flugzeuge und Schiffe sind in ihrer Komplexität und Dimension mit dem lokalen Stromnetz einer Kleinstadt vergleichbar in Bezug auf ihre Komplexität und Dimensionen. Die Netze verbinden viele verteilte Quellen und Verbraucher über lange Kabel und übertragen gleichzeitig hohe Leistungen. Infolgedessen verlagert sich der Schwerpunkt auf die Netzstabilität und Droop-Regelung, d. h. die Steuerung und Synchronisierung von Generatoren und Umrichtern. Zusätzliche Funktionen für Überwachung, Management und Kommunikation sowie intelligente Fähigkeiten müssen in die Netze implementiert werden in die Netze implementiert werden: On-board Grids entwickeln sich zu Smart Grids. In der stationären Netztechnik, insbesondere in Smart oder lokalen Gleichstromnetzen, sowie bei Batteriesystemen für das Batteriemanagement, ist dieser Wandel schon seit einiger Zeit schon seit einiger Zeit sichtbar.

Die Verschmelzung mit der Datenverarbeitung erfordert eine zunehmende Integration von Komponenten der Digitaltechnik. Mikrocontroller und System-on-Chips werden seit langem in Treibern und Steuerschaltungen für elektronische Leistungsschalterschalter. Auch Ansätze aus der klassischen Signalverarbeitung kommen zum Einsatz, z.B. zur Formung der Wechselstromwellenform, um Platz und materialintensive passive Filterkomponenten zu sparen. der Wechselstromwellenform, um Platz und materialintensive passive Filterkomponenten zu sparen. Ein Beispiel dafür sind auch modulare Multilevel-Konverter, die aus einer großen Anzahl von frei konfigurierbaren Wechselrichterzellen bestehen bestehen und mit denen ein sehr breites Anwendungs- und Leistungsspektrum abgedeckt werden kann.

Die perfekte Ergänzung

Eine neue Klasse intelligenter Leistungselektronik mit zusätzlicher KI-Funktionalität, die sogenannte kognitive Leistungselektronik Leistungselektronik, wird derzeit weiterentwickelt. Diese „wahrnehmenden Systeme“ sind mit Sensoren ausgestattet, die Sensoren zur Erfassung verschiedener physikalischer Parameter und eingebetteter Elektronik zur Aufzeichnung und Analyse von Daten in Echtzeit. Elektrische Antriebe werden so zu integrierten intelligenten Systemen, die über ihren aktuellen Betriebszustand Bescheid wissen. Basierend auf Methoden des maschinellen Lernens können kognitive leistungselektronische Systeme Vorhersagen treffen und Vorhersagen treffen und selbstständig auf interne und externe Einflüsse und Ereignisse reagieren.

Die hohen Anforderungen der Systementwickler betreffen alle Stufen der Wertschöpfungskette der Leistungselektronik. Schon heute zeichnet sich ab, dass die geforderten Leistungsmerkmale der neuartigen Leistungselektronik mit den bisherigen Halbleiterbauelementen und Systemeigenschaften nicht mehr erreicht werden können. Leistungshalbleiter auf der Basis von Materialien mit extrem breiter Bandlücke und andere innovative Bauelemente, wie integrierte Dämpfungsglieder oder aktive Schutzschalter, sind in der Pipeline. Gleichzeitig treibt der Übergang zu einer vollelektrischen Gesellschaft die Entwicklung leistungselektronischer Systeme auf ein neues Leistungsniveau. Das integrierte leistungselektronische System - die Symbiose aus innovativen Leistungshalbleitertechnologien, Mikroelektronik und künstlicher Intelligenz - wird zur Realität.