Power Electronic Systems

Die Gruppe Power Electronics Systems beschäftigt sich mit zwei Hauptgebieten im Bereich der Leistungselektronik: Der Aufbau- und Verbindungstechnik leistungselektronischer Systeme und der elektromagnetischen Verträglichkeit in der Leistungselektronik. Durch die Vereinigung dieser beiden Arbeitsgebiete in einer Gruppe und der daraus folgenden Vernetzung von Wissen kann eine breite Palette an Dienstleistungen angeboten werden.

Die Umsetzung neuartiger Vorhaben zum Aufbau von Leistungsmodulen wird stetig vorangetrieben. Innovative Konzepte für anspruchsvolle Anwendungen zum Beispiel in der Luftfahrt und der Automobilindustrie werden mit dem Kunden zusammen erarbeitet und umgesetzt. An dieser Stelle arbeiten wir eng mit anderen Abteilungen am Institut zusammen.

Elektromagnetische Störungen in Hybrid- oder Elektroautos sind derzeit ein großes Thema, ebenso wie die Entwicklung von Entwurfswerkzeugen zur umfassenden Modellierung eines Leistungsumrichters, sowohl elektromagnetisch als auch elektrisch und thermisch. Elektrische Störphänomene werden messtechnisch und mit Simulationen untersucht.

Niederinduktive Packages für schnell schaltende Halbleiter

Die Grundlage für kleine Umrichter mit hoher Leistungsdichte

Niederinduktive Packages für schnell schaltende Halbleiter | Fraunhofer IZM
© Fraunhofer IZM

Die Entwicklung sehr schnell schaltender Halbleiter auf Siliziumcarbid (SiC)- und Galliumnitrid (GaN)-Basis bietet die Möglichkeit, Standardleistungsumrichter neu zu erfinden. Dabei ist es nicht zielführend, siliziumbasierte Halbleiter in einem Standardgehäuse einfach zu ersetzen. Das erhöht lediglich die Systemkosten und steigert die Leistungsfähigkeit allenfalls minimal.

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Aufbau- und Verbindungstechnik für die Leistungselektronik

Aufbau- und Verbindungstechnik für die Leistungselektronik
© Fraunhofer IZM

Der Aufbau von Leistungsmodulen umfasst heute nicht nur das flächige Löten und Al-Dickdrahtbonden. Neue Aufbaukonzepte mit optimiertem thermischen Design wie die doppelseitige Kühlung sind genauso in der Entwicklung wie neue Verbindungstechnologien, von denen man sich eine höhere Lebensdauer erhofft.

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Embedding-Leiterplattentechnologien für die Leistungselektronik

Embedding PCB Technologies for Power Electronics
© Fraunhofer IZM | Volker Mai

Die Miniaturisierung und das Packaging von Leistungselektronik durch die Einbettung der Halbleiter in die Aufbaulagen einer Leiterplatte haben in den vergangenen Jahren eine beachtliche Entwicklung durchlaufen. Neben der Kommerzialisierung und ersten Produkteinführungen werden jedoch weiterhin unterschiedliche weitergehende Konzepte und ihre wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen entwickelt und erprobt.

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Kompakte Umrichter mit hoher Leistungsdichte

Die neu entwickelte Halbleitergeneration auf Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Basis bietet auf Systemebene angesichts ihrer geringen Schaltverluste die Möglichkeit, die Schaltfrequenzen von leistungselektronischen Systemen signifikant zu erhöhen. Dadurch kann die Baugröße der passiven Energiespeicher, vor allem der induktiven Bauteile, reduziert werden, weil nicht mehr so viel Energie zwischengespeichert werden muss. Der Fokus im ECPE-Lighthouse-Projekt "Industrial Demonstrator on System Level" lag in einer zusätzlichen Erhöhung der Leistungsdichte durch Innovationen in der Filtertopologie, der Steuerung der Halbleiter und der Pareto-Front-Optimierung des Gesamtsystems.

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Schaltverluste von Wide-Bandgap Halbleitern messen

© Fraunhofer IZM

Schaltverluste von Wide-Bandgap Halbleitern messen? Ohne zusätzliche Parasiten unter realen Bedingungen?

Klassische Methoden Schaltverluste zu messen, wie der Doppelpuls, verwenden die Messung des Stromes durch den Halbleiter und dessen Spannungsabfall im Schaltmoment. Die parasitären Effekte der Messgeräte beeinflussen die Messungen negativ, sodass die angezeigten Schaltverluste nicht der Realität entsprechen.

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Leistungsmodul mit Substrat-Wasserkühlung für die Formel 1

Exponate - Messe - Leistungsmodul mit Substrat-Wasserkühlung
© Fraunhofer IZM

Die wichtigsten Eigenschaften eines Leistungsmoduls für die Formel 1 sind eine höchstmögliche Leistungsdichte und ein geringes Gewicht. Volumen und Gewicht des vorgestellten Wandlers konnten im Vergleich zu früheren Versionen um ca. 50% reduziert werden. Dieser am Fraunhofer IZM gefertigte AC-DC-Wandler zur Energierückgewinnung verwendet eine direkte Substrat-Wasserkühlung, um Gewicht und Volumen zu minimieren und gleichzeitig einen geringen thermischen Widerstand durch einen kurzen thermischen Pfad zu gewährleisten.  

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On-Board-Charger in drei Liter Volumen – Packaging macht’s möglich

on-board charger
© Fraunhofer IZM | Volker Mai

Für die E-Mobilität ist das Laden an öffentlichen Wechselstrom -Netzen eine Herausforderung. Am Fraunhofer IZM ist es nun gelungen, jüngste Errungenschaften aus dem Bereich der Leistungselektronik für die nächste Generation der On-Board- Charger zu kombinieren. Bidirektionale Ladevorgänge bis zu 22 kW werden durch richtungsweisende PCB- und Packaging- Lösungen ermöglicht, die zudem eine maschinelle Fertigung erlauben.

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  • Kundenspezifischer Aufbau kompakter Umrichter mit hoher Leistungsdichte | mehr info
  • Schaltverluste von Wide-Bandgap Halbleitern messen | mehr info
  • Niederinduktive Packages für schnell schaltende Halbleiter  - die Grundlage für kleine Umrichter mit hoher Leistungsdichte | mehr info
  • Aufbau- und Verbindungstechnik für die Leistungselektronik | mehr info
  • Embedding-Leiterplattentechnologien für die Leistungselektronik | mehr info
  • EMV-Beratung und -Messtechnik | mehr info

Isolierte Single Chip Packages für die urbane Mobilität im Luftverkehr

Das Projekt TELEV (Technologische Befähigung hybrid-elektrischer Antriebssysteme für bemannte Fluggeräte durch die Erforschung luftfahrtgerechter Leistungselektronik, -verteilung und Steuerung) zielt auf die systematische Untersuchung von Technologien ab, die notwendig sind, um derartige Konfigurationen auf das für die Luftfahrt notwendige Leistungsniveau zu bringen.

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Explosionsdarstellung des Umrichteraufbaus mit Leistungsmodul- und Treiber-/Controllerleiterplatte
© Fraunhofer IZM

ECPE Lighthouse: Bidirectional motor drive 63kW

Die neu entwickelte Halbleitergeneration auf Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Basis bietet auf Systemebene angesichts ihrer geringen Schaltverluste die Möglichkeit, die Schaltfrequenzen von leistungselektronischen Systemen signifikant zu erhöhen. Dadurch kann die Baugröße der passiven Energiespeicher, vor allem der induktiven Bauteile, reduziert werden, weil nicht mehr so viel Energie zwischengespeichert werden muss. Der Fokus im ECPE-Lighthouse-Projekt "Industrial Demonstrator on System Level" lag in einer zusätzlichen Erhöhung der Leistungsdichte durch Innovationen in der Filtertopologie, der Steuerung der Halbleiter und der Pareto-Front-Optimierung des Gesamtsystems.

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SiC-Umrichtermodul für elektrische Hochleistungsantriebe

Einer der weltweit führenden Automobilzulieferer, Marelli, hat das erste Leistungsmodul für elektrische und hybride Traktionsanwendungen im Motorsport auf den Markt gebracht. Das neue Modul wurde zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM entwickelt. Das vollständig auf Silizium-Carbid basierende Modul ermöglicht höhere Umwandlungswirkungsgrade, ist kleiner und leichter – ein Erfolg nicht nur für den Motorsport, sondern auch für Fahrzeuge im Allgemeinen.

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PM/PR SiC-Umrichtermodul
© Marelli

SiCeffizient: Effizienz und Reichweitensteigerung

Im Projekt SiC-Effizient ist ein Aufbau realisiert, mit dem die SiC-MOSFETs an ihren elektrischen Grenzen betrieben werden. Dieses wird zum einen durch ein optimiertes thermisches Interface realisiert. Hierbei werden die Halbleiter direkt auf dem Kühlkörper über eine Silbersinterverbindung angebunden. Zum anderen wird zur Reduzierung der Schaltverluste besonderer Wert auf die niederinduktive Anbindung des Zwischenkreiskondensators gelegt. Durch eine Kommutierungszelleninduktivität von < 2.4nH bei zwei parallelen Halbleitern und besonders leistungsfähiger Treiberendstufe wird schnelles Schalten mit Spannungssteilheiten von bis zu 60kV/µs ermöglicht.

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SiC Modul

  • Lσ power module < 1.7 nH
  • PCB Embedding: Smart p² Pack® Technology by SE AG
  • Power range up 231 kVA (for a 6 phase inverter)
  • Highest on-board function integration: Damped DC-Link, gate power supply, gate driver, 2 temperature sensors (one per switch), embedded current sensor, fast analogue short-circuit detection, signal insulation and digitalization

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SOlar, Protosol – Entwicklung eines hocheffizienten SiC-Solarwechselrichters

Bei der Entwicklung marktfähiger, leistungselektronischer Systeme muss eine Vielzahl teils widersprüchlicher Anforderungen erfüllt werden. Hoher Wirkungsgrad, Robustheit, Zuverlässigkeit, niedrige Kosten, hohe Lebensdauer, hohe Leistungsdichte und eine gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) müssen für die jeweilige Anwendung bewertet und gegeneinander abgeschätzt werden.

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Speeddrive: High-Speed Umrichter

Das Gesamtziel des Projektes ist es, einen High-Speed Umrichter zu entwickeln, der den Stand der Technik weit übertrifft.

Als High-Speed-High-Power Antrieb wird in diesem Projekt ein Antrieb mit einer Leistung von über 200 kW und einer Drehzahl von über 35.000 U/min betrachtet. Das Projektziel liegt in der Entwicklung eines modularen Umrichters, der in der Lage ist Motoren/Generatoren mit 500 kW und 35.000 U/min anzutreiben.

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Eckart Hoene

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Prof. Dr.-Ing. Eckart Hoene

Chief Expert Power Electronics

Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
Gustav-Meyer-Allee 25
13355 Berlin

Telefon +49 30 46403-146

Christoph Marczok

Contact Press / Media

Christoph Marczok

Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration
Gustav-Meyer-Allee 25
13355 Berlin

Telefon +49 30 46403-724

Fax +49 30 46403-271

Stefan Hoffmann

Contact Press / Media

Stefan Hoffmann

Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
Gustav-Meyer-Allee 25
13355 Berlin

Telefon +49 30 46403-142

Felix Fischer

Contact Press / Media

Felix Fischer

Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
Gustav-Meyer-Allee 25
13355 Berlin

Telefon +49 30 46403-7906

  Arbeitsgruppe Power Electronic Systems

Leistungselektronik - Ausstattung und Tools

Power Elektronik Labor

Unser Power Elektronik Labor bietet eine Vielzahl an Möglichkeiten für die Entwicklung innovativer Leistungselektronik mit modernsten Entwicklungswerkzeugen und hochqualifiziertem Personal. Im Kundenauftrag entwickelte Leistungselektroniken können in Betrieb genommen und detailliert untersucht werden.

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Measuring Switching Losses
© Fraunhofer IZM

EMV-Messtechnik

Das Fraunhofer IZM unterstützt Unternehmen bei der Entstörung von Hardware. Leistungselektronische Geräte und Systemen können in unseren Laboren für EMV-Tests in einem zertifizierten EMV-Labor fit gemacht werden.

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Active Power Cycling Lab

Qualitätssicherung an Leistungselektronik ist wesentlicher Bestandteil der Produktabsicherung. Der elektrische Lastwechseltest (Active Power Cycling) liefert umgehend Daten zur Lebensdauer von Leistungshalbleitermodulen. Das Einsatzgebiet (z. B. Windenergie, Photovoltaik, Automotive) entscheidet dabei über die richtigen Testparameter und ‑verfahren.

Wir bieten eine umfassende Beratung bei der Auswahl unter Berücksichtigung der jeweiligen Mission Profiles.

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Anschlusskonzept von eingebetteter Leistungselektronik für APC-Test
© Fraunhofer IZM

Schaltverlustmessungen

Klassische Methoden Schaltverluste zu messen, wie der Doppelpuls, verwenden die Messung des Stromes durch den Halbleiter und dessen Spannungsabfall im Schaltmoment. Die parasitären Effekte der Messgeräte beeinflussen die Messungen negativ, sodass die angezeigten Schaltverluste nicht der Realität entsprechen.

Für die Lösung des Problems wurden verschiedene Messmethoden entwickelt, die Schaltverluste passiv unter realen Arbeitsbedingungen messen. Die Schaltverluste können bestimmt werden für verschiedene Spannungen, Ströme und Temperaturen. Die Schaltzelle muss nicht modifiziert werden, sodass voll integrierte Module vermessen werden können.

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© Fraunhofer IZM
 

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Veröffentlichungen

Hier finden Sie weiterführende Literatur zum Thema Power Electronic Systems

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