Neuartiges Leistungsmodul Fraunhofer-Forscher mit Young Engineer Award ausgezeichnet

The 32-year-old Christoph Marczok received the Young Engineer Award at PCIM Europe 2019 for the design of the low-inductance power module.
Der 32-jährige Christoph Marczok erhielt auf der PCIM Europe 2019 den Young Engineer Award für das Design eines niederinduktiven Leistungsmoduls.

Christoph Marczok entwickelt am Fraunhofer IZM ein niederinduktives Leistungsmodul, das bei gleicher Modulgröße mehr Leistung liefert als bisher. Für diese herausragenden Forschungsergebnisse ist der 32-jährige auf der PCIM Europe 2019 mit dem Young Engineer Award ausgezeichnet worden.

Die neuen Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid und Galliumnitrid können hohe Spannungen und Stromstärken viel schneller schalten als herkömmliche Halbleiter aus Silizium. Schnelleres Schalten zieht weniger Leistungsverluste nach sich, sodass weniger Verlustwärme entsteht. Das Ergebnis: kleinere Module bei gleicher Leistung. So lassen sich Volumen und Gewicht reduzieren, was in vielen Branchen, zum Beispiel der Automobilindustrie, auch die Kosten senkt.

Das schnelle Schalten hat jedoch eine Kehrseite: Durch das Design und die Aufbau- und Verbindungstechnik des Leistungsmoduls entsteht eine gewisse Streuinduktivität, und zwar die der Kommutierungszelle. Diese äußert sich beim Ausschalten des Moduls in Form von Überspannung am Halbleiter. Je schneller geschaltet wird, desto größer sind die Stromänderung und damit auch die Überspannung. Wird diese zu hoch, wird die Isolation des Leistungshalbleiters zerstört und damit der Leistungshalbleiter selbst. Das heißt, ein schnelles Schalten von Leistungshalbleitern mit konventioneller Aufbau- und Verbindungstechnik ist bisher gar nicht handhabbar, weil sich das Leistungsmodul selbst zerstören würde.

Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM wurde dieses Problem jetzt gelöst: Gemeinsam mit seinem Projektpartner Rogers Corporation hat Christoph Marczok ein spielkarten-großes Leistungsmodul entwickelt, das extrem schnell schalten kann und trotzdem nicht kaputtgeht. Da die Induktivität der Kommutierungszelle kleiner als 2 nH und die Gate-Induktivität klein ist, bleibt die Gesamtspannung weit unter der Spannungsfestigkeit des Leistungshalbleiters – und das Modul unversehrt.

Marczok ist sehr zufrieden: »Das Modul steckt voller einzigartiger Entwicklungen, zum Beispiel den SMD-Komponenten auf der Oberfläche des vergossenen Moduls. Dadurch muss der Anwender nur noch die Spannungsversorgung und die Ansteuersignale bereitstellen. Die kritischen Signalpfade sind bereits dimensioniert und abgeschlossen. Im vergossenen Modul können außerdem auch betriebsrelevante Sensoren, wie Temperatur- und Stromsensoren, integriert werden.«

Das Ergebnis: Der Anwender muss die Signale lediglich abgreifen und auswerten – und sich keine Gedanken mehr über deren Integration machen. Die Vorteile des Moduls sind auch messbar: Die Ausschaltverluste konnten im Vergleich zu einem konventionellen Moduldesign auf ein Viertel reduziert werden. Gleichzeitig kann bis zu 30 Prozent mehr Leistung mit demselben Leistungshalbleiter geschaltet werden.