Mehr Leistung bei gleicher Modulgröße – Leistungselektronik am Fraunhofer IZM macht´s möglich!

16.5.2019

Christoph Marczok entwickelt am Fraunhofer IZM ein niederinduktives Leistungsmodul, mit dem bei gleicher Modulgröße mehr Leistung als bisher schaltbar ist. Für diese herausragenden Forschungsergebnisse ist der 32-jährige mit dem Young Engineer Award ausgezeichnet worden. Den Preis erhielt er im Mai auf der PCIM, der internationalen Fachmesse für Leistungselektronik.

Designentwurf des niederinduktiven Leistungsmoduls: Bei gleicher Modulgröße kann bis zu 30 % mehr Leistung als bei konventionellen Moduldesigns geschaltet werden
© Fraunhofer IZM | Volker Mai

Designentwurf des niederinduktiven Leistungsmoduls: Bei gleicher Modulgröße kann bis zu 30 % mehr Leistung als bei konventionellen Moduldesigns geschaltet werden

Der 32-Jähriges Christoph Marczok ist ausgezeichnet mit dem Young Engineer Award
© MIKA-fotografie | Berlin

Der 32-Jähriges Christoph Marczok ist ausgezeichnet mit dem Young Engineer Award

Die neuen Leistungshalbleiter aus Siliziumcarbid und Galliumnitrid, im Englischen Wide Band Gap Semiconductors, können hohe Spannungen und Stromstärken viel schneller schalten als normale Halbleiter. Schnelleres Schalten zieht weniger Leistungsverluste nach sich, so dass weniger Wärme erzeugt wird. Das Ergebnis: Kleineres Modul bei gleicher Leistung. Es können also Volumen und Gewicht reduziert werden, was in vielen Branchen, zum Beispiel der Automobilindustrie, Kostenreduzierung heißt. Aber es gibt ein Problem: Durch das Design und die Aufbau- und Verbindungstechnik des Leistungsmoduls entsteht eine gewisse Streuinduktivität, die Kommutierungszelleninduktivität. Diese äußert sich beim Ausschalten des Moduls in Form von Überspannung am Halbleiter. Je schneller geschaltet wird, desto größer ist 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 durchbrennt. Durch eine Kommutierungszelleninduktivität kleiner als zwei Nanohenry und einer niedrigen Gateinduktivität 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 Moldmoduloberfläche. Dadurch muss der Anwender nur noch die Spannungsversorgung und die Ansteuersignale bereitstellen. Die kritischen Signalpfade sind bereits dimensioniert und abgeschlossen. Im Moldmodul 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.Das Leistungsmodul wurde vom 7. bis 9. Mai auf der international führenden Fachmesse für Leistungselektronik, der PCIM, in Nürnberg präsentiert und Christoph Marczok hielt hierzu einen Vortrag vor dem anwesenden Fachpublikum.



(Text: Lena Fiedler)