Kommentar von Prof. Leo Lorenz Entwicklungstrends in der Leistungselektronik

Anforderungen an die Leistungselektronik und Ausblick auf die PCIM

Aus den drei Anwendungsfeldern der Zukunft Energie, Mobilität und „Factory of the Future“ lassen sich die an die Leistungselektronik gestellten Anforderungen ableiten. Für den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte sind in erster Linie die verwendete Schaltungstopologie, die eingesetzten Leistungsschalter und das System-Design (Vermeidung von parasitären Komponenten) verantwortlich.

Als Schaltungstopologien kommen im unteren Spannungsbereich bei normalerweise höheren Strömen Multiphasen-/Interleave-Systeme zum Einsatz, während im hohen Spannungsbereich vorzugsweise Multi-Level-Topologien oder MMCs entwickelt werden. Während für den oberen Spannungsbereich heute – und sicherlich auch in der nächsten Dekade – ausschließlich IGBTs (oder auch IGCTs, RC-IGBTs und RB-IGBTs) eingesetzt werden, gibt es im unteren und mittleren Spannungsbereich eine Vielzahl an Technologien wie zum Beispiel Leistungs-MOSFETs, Super-Junction-Halbleiterbausteine, F-IGBTs sowie SiC- und GaN-Halbleiterkomponenten.

IGBT-Chips werden beispielsweise im Hinblick auf niedrigere Verluste (Optimierung von VCESat und dynamischer Verluste). Die Weiterentwicklungen schließen schnellere Schalter (feinstrukturierte Zellen), RB-IGBTs (Reverse Biasing) und RC-IGBTs (Reverse-Conducting) mit ein. Weitere Entwicklungsfortschritte sind beispielsweise neue Modulkonzepte mit verbessertem thermischen Verhalten und niedriger parasitärer Induktivität, neue Materialien zur Verbesserung des CTE sowie Packaging-Designs, die sich sehr gut parallel schalten lassen.

Im Bereich IGBTs existieren darüber hinaus neue Vorschläge zum optimalen Betrieb über Ansteuer- und Schaltkonzepte. Für die Kurzschlussbeherrschung wurde eine neue Idee realisiert, die es erlaubt, den IGBT-Kurzschluss schon in der Anfangsphase – also weit bevor die Sättigungsphase erreicht ist – zu detektieren und innerhalb von weniger als 50 ns abzuschalten. Dieses Verfahren ist auch unter Soft- Abschaltung bekannt. Kombiniert mit einer smarten Temperaturmessung lässt sich der Augenblickswert des Stromes errechnet werden.

Für den unteren- und mittleren Leistungsbereich wurde bereits eine Vielzahl von Halbleiterbausteinen entwickelt. Die Verbesserung der IGBTs liegt auch hier in einer höheren Junction-Temperatur, im schnelleren Schalten, in den niedrigeren stationären und dynamischen Verlusten sowie in der höheren Robustheit. Bei der Superjunction-Technologie wurden das dynamische Verhalten und die Steuerbarkeit verbessert, die Verluste verringert und die Robustheit erhöht.

Wide-Bandgap-Devices basierend auf GaN und SiC werden bevorzugt in Energiewandlern eingesetzt, die extrem hohe Leistungsdichten bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad erfordern. Während SiC-Halbleiterbausteine bereits einen hohen technischen Stand erreicht haben, befinden sich GaN-Leistungstransistoren aktuell noch in Pilotanwendungen für zukünftige Applikationen.

Da GaN-Halbleiterbausteine wegen der extrem niedrigen Eingangs und Ausgangskapazität (und nahezu linearem Verhalten im Vergleich zum Superjunction-Transistor) auch bei hohen Schaltfrequenzen sehr niedrige dynamische Verluste aufweisen, bestehen sehr hohe Anforderungen an das Packaging-Design. SiC-Devices besitzen eine vertikale Stromflusstruktur und werden vorzugsweise im Spannungsbereich VD > 600 V eingesetzt.

Ausblick auf die PCIM 2018

Auf der PCIM 2018 werden einige der großen Weiterentwicklungen diskutiert, wie zum Beispiel die Energieübertragung und die Ladekonzepte sowie deren Infrastruktur. Gerade die Elektromobilität steht im Fokus, da sowohl die Ladeinfrastruktur als auch die Leistungselektronik im Auto zusammen mit der Kommunikation zum smarten Ladeversorgung von besonderer Bedeutung sind.

In diesen Anwendungsfeldern werden Topologien aufgezeigt, bewertet und Vorschläge diskutiert. Ferner werden geeignete Leistungsschalter vorgeschlagen und Power Elektronic Building Blocks diskutiert.

Auf der Komponenten-Ebene wird auf der PCIM 2018 den Entwicklungstrends im Bereich passiver Bauelemente größere Bedeutung beigemessen. Der Einsatz von Wide-Bandgap-Devices hat in den letzten Jahren stark zugenommen, so dass exzellente Beiträge zur Applikation von ultraschnellen Schaltern gezeigt und Designs mit SiC- und GaN- Schaltern im Detail diskutiert werden können. Neue Ansteuer- und Schutzkonzepte werden vorgestellt und deren Realisierung demonstriert.

Die PCIM 2018 wird eine Vielzahl an Highlights auf System-Ebene, vom Einsatz und Betrieb neuer Leistungshalbleiter und von der Entwicklung wichtiger passive Bauelemente zeigen und in Expertenkreisen diskutieren.