PowerCare – intelligente Umrichter- und Motorkontrolle

Dieses innovative Fraunhofer Förderprojekt ebnet den Weg zu einer verbesserten Elektrifizierung von Produktion und Mobilität, da die Verluste bei der Energieübertragung reduziert werden können durch neuartige Wide-Bandgap Materialien. PowerCare zielt darauf ab, durch den Einsatz intelligenter Leistungselektronik mit neuartigen Galliumnitrid-Halbleitern (GaN) und echtzeitfähigen Ausfallmodellen in Motorsteuerungen, die Leistungsmodule in Industrie und Mobilität effizienter und nachhaltiger zu gestalten.

Die Zukunft der Leistungselektronik

Im Vergleich zu anderen Halbleitermaterialien wie Silizium bietet Galliumnitrid viele Vorteile, wie zum Beispiel die höhere Leistungsdichte, die Möglichkeit für kompaktere und effizientere Power-Module, sowie höhere Schaltgeschwindigkeiten und dadurch geringere Leistungsverluste. Dazu könnte der flächendeckende Einsatz von GaN zu erheblichen Einsparungen von Treibhausgasen im Gigatonnen-Bereich führen, was den Emissionen von etwa 600 Kohlekraftwerken entspricht. Insbesondere in industriellen Motorsteuerungen im Rahmen von PowerCare könnte der Einsatz von vertikalen GaN-Leistungshalbleitern jährlich etwa 124 Megatonnen CO2 einsparen.

Bisher sind Leistungseffiziente GaN-Leistungsmodule mit vertikalen GaN-Leistungshalbleitern mit integrierter Ausfallvorhersage jedoch nicht am Markt verfügbar. Das Projekt PowerCare soll dem mit neuartigen vertikalen GaN-Leistungshalbleiter und der Echtzeit KI-Ausfallvorhersage entgegensteuern. Das miniaturisierte und energieeffiziente Modul, welches direkt in Antriebe integriert werden kann, entsteht durch ein Co-Design von Leistungshalbleitern, Microcontrollern und Vorhersagemodellen und soll Störungen im Umrichter und Motor frühzeitig erkennen, um unerwartete Ausfälle zu minimieren. Dies soll eine effiziente und kostensparende Wartungsplanung ermöglichen, sowie einer erhöhten Sicherheit dienen.

Ein Ziel – viele starke Partner

PowerCare hat das Potential die Basis für die nächste Evolutionsstufe intelligenter, nachhaltiger Leistungsmodule zu sein. Diese Technologie kann für verschiedenste Anwendungen aus den Bereichen Industrieproduktion, Mobilität, Transport oder erneuerbare Energien genutzt werden.

Die Realisation dieses Projektes erfolgt durch die Expertise und Kooperation von drei Fraunhofer-Instituten mit ihrer jeweiligen Spezialisierung in den Bereichen der KI-Entwicklung und Leistungsmodulentwicklung. Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) ist hier für die Entwicklung und Produktion von den vertikalen GaN-Bauelementen einschließlich ihrer Ausfallmodelle zuständig. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) ist wiederum für die KI-basierte Zustandsüberwachung von elektrischen Antrieben und dem Aufbau des Umrichter Moduls zuständig. Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) ist für die RISC-V-Prozessoren und die eingebettete KI für die Ausfallvorhersagen verantwortlich.

Unterstützt werden die Fraunhofer-Institute bei der Umsetzung des Projekts von der Siemens AG, X-FAB Dresden GmbH & Co. KG, NXP Semiconductors Germany GmbH und der TU Dortmund.