Ausgabe zur SENSOR + TEST 2019

4 LEISTUNGSELEKTRONIK Mehr Leistung bei gleicher Modulgröße – Leistungselektronik am Fraunhofer IZMmacht´s möglich! TEXT & BILD: FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR ZUVERLÄSSIGKEIT UND MIKROINTEGRATION IZM GUSTAV-MEYER-ALLEE 25 D-13355 BERLIN C hristoph Marczok ent- wickelt am Fraunhofer IZM ein niederindukti- ves Leistungsmodul, mit dem bei gleicher Modulgröße mehr Leistung als bisher schalt- bar ist. Für diese herausragen- den Forschungsergebnisse ist der 32-jährige mit dem Young Engineer Award ausgezeichnet worden. Den Preis erhielt er im Mai auf der PCIM, der internati- onalen Fachmesse für Leistungs- elektronik. Die neuen Leistungshalbleiter aus Siliziumcarbid und Gallium- nitrid, im Englischen Wide Band Gap Semiconductors, können hohe Spannungen und Strom- stärken viel schneller schalten als normale Halbleiter. Schnelle- res Schalten zieht weniger Leis- tungsverluste 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 Automobilindu- strie, Kostenreduzierung heißt. Aber es gibt ein Problem: Durch das Design und die Aufbau- und Verbindungstechnik des Leis- tungsmoduls entsteht eine gewis- se Streuinduktivität, die Kommu- tierungszelleninduktivität. Diese äußert sich beim Ausschalten des Moduls in Form von Überspan- nung 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 Leistungshalblei- tern mit konventioneller Auf- bau- und Verbindungstechnik ist bisher gar nicht handhabbar, weil sich das Leistungsmodul selbst zerstören würde. Am Fraunhofer-Institut für Zu- verlässigkeit und Mikrointegration IZM wurde dieses Problem jetzt gelöst: Gemeinsam mit seinem Projektpartner Rogers Corpora- tion hat Christoph Marczok ein spielkarten-großes Leistungsmo- dul entwickelt, das extrem schnell schalten kann und trotzdem nicht durchbrennt. Durch eine Kommu- tierungszelleninduktivität kleiner als zwei Nanohenry und einer niedrigen Gateinduktivität bleibt die Gesamtspannung weit unter der Spannungsfestigkeit des Leis- tungshalbleiters – und das Modul unversehrt. Marczok ist sehr zufrieden: „Das Modul steckt voller ein- zigartiger Entwicklungen, zum Beispiel den SMD-Komponenten auf der Moldmoduloberfläche. Dadurch muss der Anwender nur noch die Spannungsversorgung und die Ansteuersignale bereit- stellen. Die kritischen Signal- pfade sind bereits dimensioniert und abgeschlossen. Im Mold- modul können außerdem auch betriebsrelevante Sensoren, wie Temperatur- und Stromsensoren integriert werden.“ Das Ergebnis: Der Anwender muss die Signale lediglich abgreifen und auswer- ten – und sich keine Gedanken mehr über deren Integration machen. Die Vorteile des Moduls sind auch messbar: Die Aus- schaltverluste konnten im Ver- gleich zu einem konventionellen Moduldesign auf ein Viertel redu- ziert werden. Gleichzeitig kann bis zu 30 Prozent mehr Leistung mit demselben Leistungshalblei- ter geschaltet werden. More power for the same modu- le size – power electronics at Fraunhofer IZM makes it a reality! C hristoph Marczok is de- veloping a low-induct- ance power module at Fraunhofer IZM that allows more power than before to be switched with the same module size. For these out- standing research results, the 32-year-old has been honored with the Young Engineer Award. The award was presented in May at PCIM, the international trade fair for power electronics, in Nuremberg. The new power semiconductors made of silicon carbide and gallium nitride – known as wide-bandgap semiconductors, can switch high voltages and currents much faster than normal semiconductors. Fast- er switching results in less power loss, so less heat is generated. The result is a smaller module with the same output. This means that vol- ume and weight can be reduced, which in many sectors, such as the automotive industry, reduces costs. But there is a problem: the de- sign and packaging of the power module create a certain leakage inductance, referred to as com- mutation cell inductance. When the module is switched off, this manifests itself in the form of over- voltage on the semiconductor. The faster the switching, the greater the current change and thus also the overvoltage. If the overvoltage is too high, the insulation of the power semiconductor is destroyed and, in turn, the power semicon- ductor itself. This means that fast switching of power semiconductors with conventional packaging has, until now, not been manageable, because the power module would destroy itself. At the Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM, this problem has now been solved: together with his project partner Rogers Corporation, Chris- toph Marczok has developed a playing-card-sized power module that can switch extremely quick without burning out. Due to a commutation cell inductance of less than two nanohenries and low gate inductance, the total voltage remains far below the dielectric strength of the power semicon- ductor – and the module remains intact. Marczok is very satisfied: “The module is full of unique develop- ments, such as the SMD compo- nents on the mold module sur- face. This means that the user only has to provide the power supply and the control pulses. The critical signal paths are already dimensioned and completed. In addition, operationally relevant sensors such as temperature and current sensors can also be inte- grated into the mold module.” The result is that the user only has to pick up and evaluate the signals – and no longer has to worry about integrating them. The benefits of the module are also measurable: the switch-off losses could be reduced to a mere quarter of those of a conventional module design. At the same time, up to 30 percent more power can be switched with the same power semiconductor. © Fraunhofer IZM | Volker Mai Designentwurf des niederinduktiven Leistungsmoduls: Bei gleicher Modul- größe kann bis zu 30 % mehr Leistung als bei konventionellen Moduldesigns geschaltet werden Draft design of the low-inductance power module: with the same module size, up to 30% more power can be switched than with conventional module designs. © MIKA-fotografie | Berlin Der 32-Jähriges Christoph Marczok ist ausgezeichnet mit dem Young Engineer Award The 32-year-old Christoph Marczok receives the Young Engineer Award. Sonderforum für Sensorik und Messtechnik in der Prozessautomation TEXT & BILD: AMA SERVICE GMBH VON-MÜNCHHAUSEN-STRASSE 49 D-31515 WUNSTORF M it dem Sonderthe- ma „Sensorik und Messtechnik für die Prozessautomation“ adressiert die SENSOR+TEST 2019 die gestiegenen Anforde- rungen in diesem schon immer zentralen Anwendungsbereich der Messe und dessen weiter gewachsene Bedeutung für die Industrie. Dabei wird die flä- chendeckende Vernetzung und Digitalisierung von Sensoren und Messsystemen im Sinne von Industrie 4.0 auch weiterhin im Fokus stehen. Das Sonderthema der SENSOR+TEST bietet Anbietern und Nutzern Raum zum Innova- tionsdialog über neue Konzep- te, Produkte und Lösungen, wie z.B. neu entwickelte Messverfah- ren, selbstüberwachende Sen- sornetzwerke oder Systeme zur Prozessanalyse mit Cloud- und KI-Unterstützung. Wie gefragt diese Themen bei den Ausstel- lern und ihren Kunden sind, zeigt das hervorgehobene Sonderforum "Sensorik und Messtechnik für die Prozessautomation". Über die Präsentationen auf den Ständen hinaus werden die Aussteller außerdem die Möglich- keit nutzen, ihre Innovationen auf dem Vortragsforum in Halle 5 vorzustellen. Dieses wird am 25. Juni 2019, dem ersten Messetag, ebenfalls ganz im Zeichen des Sonderthemas stehen. Special Forum for Sensor and Measu- ring Technology for Process Automation Almost Booked Out W ith its special topic “Sensor and Measuring Tech- nology for Process Automation", the SENSOR+TEST 2019 addresses the increased demands in one of the trade fair’s central areas of applica- tion that has steadily gained in importance for the industry at large. The continued focus here is on the area-wide networking and digitalization of sensor and measuring technology as called for by Industry 4.0. This special topic at the SENSOR+TEST offers suppliers and users the opportunity to delve into the innovation dialog on new concepts, products, and solutions, such as newly developed measur- ing processes, self-monitored sen- sor networks, or process-analysis systems with cloud and AI sup- port. The demand for discussion of these topics by the exhibitors and their customers is reflected by the outstanding special forum “Sensor and Measuring Technology for Pro- cess Automation". Besides their presentations at the stands, the exhibitors will use the opportunity to present their innovations at the forum in Hall 5. This forum, on the 25 June 2019, the first day of the fair, will also be in full focus of the special topic.