Programm Leistungselektronik Forum 2023

Die Reichweite von Elektrofahrzeugen (Electric Vehicles, EVs) wird in hohem Maße vom Wirkungsgrad ihrer Traktionswechselrichter- und Motorregelungs-Systeme bestimmt. Mit der Einführung von Wide-Bandgap-Halbleitern ergeben sich signifikante Verbesserungen des Systemwirkungsgrads und der Leistungsdichte, jedoch bringen die höheren Anstiegsraten und Schaltfrequenzen nach wie vor erhebliche Herausforderungen mit sich. 

Dieser Vortrag befasst sich näher mit der kritischen Rolle des isolierten Gatetreibers, der ein entscheidendes Bauteil für die Ansteuerung und Überwachung der Leistungsstufen des Wechselrichters darstellt. Seien Sie dabei, wenn wir erkunden, welche Herausforderungen mit diesen Gatetreiber-Schaltungen zusammenhängen und wie ihre Fähigkeiten die Zukunft der EV-Branche prägen werden. 

Moderne Leistungshalbleiter auf Basis von Galliumnitrid (GaN) zeichnen sich durch geringeren Flächenwiderstand (Rdson * A), geringere Bauteilkapazitäten und hohe Schaltgeschwindigkeiten aus. Richtig eingesetzt, ermöglichen CoolGaN High-Electron-Mobility Transistoren (HEMTs) die Entwicklung hoch-kompakter Umrichter und können so dem steigenden Leistungsbedarf von modernen Elektrofahr- und -werkzeugen gerecht werden. 

Mit den Möglichkeiten steigen jedoch auch die Herausforderungen in der Elektronikentwicklung.

Dieser Vortrag behandelt praxisnah wichtige Aspekte des GaN-Systemdesigns, gibt wertvolle Hinweise zur optimalen Anwendung und zeigt, wie sich mit GaN HEMTs Umrichter in der Leistungsklasse von 1 kW bis über 8 kW addressieren lassen.

Die Elektromobilität wächst und erschließt sich nicht nur den PKW-Bereich sondern auch den Schwerlast- und Personennahverkehr. Wo für PKW die Ladung mit bis zu 350 kW für den Nutzer bereits sehr kurze Wartezeiten bedeutet, muss aber der LKW-Fahrer trotzdem bis zu zwei Stunden Stillstand einrechnen. Eine Reduzierung dieser Wartezeit bedeutet eine Erhöhung der Ladeleistung, und das Megawatt Charging System (MCS) sieht derzeit Randbedingungen von 150 V, 3000 A und 2,2 MW vor.

Gerade bei solch hohen Leistungen ist die Effizienz der Leistungselektronik besonders wichtig, weil schon 1% Verlustleistung 22 kW Abwärme erzeugt. Die Adaption von heutigen, auf SiC-MOSFETs basierenden Lösungen mit bis zu 98% Wirkungsgrad könnte sich als die weniger gute Lösung darstellen. Stattdessen kann eine aus der Elektrolyse bekannte und seit 40 Jahren bewährte Thyristorschaltung zum Einsatz kommen, die hier mit Wirkungsgraden von bis zu 99,7% und der Verwendung von nur 12 Leistungshalbleitern glänzt – der B12C-Gleichrichter.

Der Vortrag zeigt, warum dieser Ansatz bei großen Leistungen Vorteile bringt und warum er für Leistungen unterhalb von 500 kW nicht zum Einsatz kam.

Eine große Herausforderung für Entwicklungsingenieure ist die Auswahl des richtigen Bauteils für eine Anwendung. Datenblätter liefern zwar viele Informationen, doch der Zusammenhang zwischen den verschiedenen Parametern lässt sich nicht immer direkt erschließen. Manuelle Berechnungen oder die Erstellung einer Schaltungssimulation sind häufig erforderlich, um das Verhalten eines Bauteils innerhalb einer Anwendung zu verstehen. Herkömmliche Simulationsmodelle stellen oft nicht die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf das Bauteilverhalten dar. 

Und auch wenn elektrothermische Modelle bereits eine solide Grundlage für das Verhalten von MOSFETs darstellen, gehen die hier vorgestellten neuen interaktiven Datenblätter für Leistungs-MOSFETs einen Schritt weiter. Auf Grundlage der elektrothermischen Modelle und mit grafischer Benutzeroberfläche ausgestattet, lassen sich Parameter wie Gate-Spannung, Drain-Strom, RDS(on) und Temperatur, mit interaktiven Schiebereglern einstellen und ihre Wechselwirkungen in Echtzeit ablesen. So werden sie zur zeitsparenden Alternative zu manuellen Berechnungen und Schaltungssimulationen. 

Zuhörer sind eingeladen, ihre Erfahrungen, Anregungen und Wünsche hinsichtlich der Funktionalität und der zu unterstützenden Anwendungen zu teilen. Die Weiterentwicklung dieser interaktiven Datenblätter soll eine noch effektivere und benutzerfreundlichere Lösung schaffen, die den Anforderungen von Entwicklungsingenieuren gerecht wird.

Immer kürzere Schaltzeiten erhöhen die Effizienz leistungselektronischer Komponenten, wodurch jedoch auch die Absicherung der EMV-Konformität an Stellenwert gewinnt. Kostenintensive Prototypentests werden durch virtuelle Prototypen ersetzt, doch die Simulationsmodelle im Open-Source Code SPICE stoßen hier oft an ihre Grenzen. Dabei sind besonders in der frühen Entwicklungsphase Entwurfsentscheidungen möglich, um parasitäre Effekte so weit wie möglich zu verringern. 

Chris Penndorf stellt SPICE auf den Prüfstand und zieht den Vergleich zu der speziell für die Simulation hochfrequent schaltender Leistungselektronik entwickelten Lösung von Altair. Dafür analysiert er nicht nur einfache Testschaltungen, sondern geht auch auf Wechselrichter mit komplexen Topologien, realistischen Kabelmodellen und modernen Halbleitern ein. 

In seinem Vortrag spricht er über Herausforderungen und Lösungen im Simulationsumfeld der Leistungselektronik. Besonderer Fokus liegt auf leitungsgebundenen Störungen und Simulationsautomatisierung die dem Entwickler Arbeit abnehmen kann.

Ob Großkonzern oder KMU: Die zunehmende Komplexität fordert die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter mehr denn je. Mehr Kunden und mehr Technik: Das führt zu steigender Arbeitsbelastung, und gerade in der Entwicklung fehlt dann der Systemüberblick. Für eine saubere Produktentwicklung bleibt kaum noch Zeit. Der schnelle Versuch, intuitiv eine brauchbare Lösung zu finden, verbessert die Lieferfähigkeit nicht. Ganz im Gegenteil. Komplette Projekte stehen auf der Kippe. Ist das wirklich nötig?

Die Eröffnungskeynote am 17. Oktober auf dem Kongress Power of Electronics wirft aus der Sicht von Paul, dem Entwickler, und Carla, der Managerin, einen Blick auf einen scheinbar ewigen Interessenkonflikt: Paul ist Elektronikentwickler und will nur seinen Job erledigen. Doch stattdessen klagt er über immer neue Aufgaben und verliert Zeit durch wechselnde Aufgaben. Seine Chefin Carla spürt den Druck von Kunden und Mitbewerbern und muss immer mehr Projekte gleichzeitig starten. 

Konflikte und Stress nehmen auf beiden Seiten zu. Die beiden werden getrieben, statt die Kontrolle zu behalten. Dabei möchten sie eigentlich das Gleiche: Ihre Arbeit erledigen und Qualität liefern.

Mit Verständnis für das Gesamtsystem lässt sich der Konflikt lösen und damit die Lieferfähigkeit verbessern. Die Grundlagen dafür sind geeignete Führung, Fokussierung auf den Kundennutzen (Value), Transparenz und geeignete Werkzeuge zur Visualisierung und Steuerung des Wertflusses (Flow). 

Die Keynote macht das Unsichtbare diskutierbar und gibt Lösungsimpulse. Denn Erfahrungen aus der Praxis zeigen: Paul und Carla können mit weniger Stress und kühlem Kopf mehr erreichen!

Bei der Auslegung von Leistungselektronikschaltungen spielt die maximale Temperatur der Power-Chips eine wesentliche Rolle für die Lebensdauer des Systems. Und in der Realität der Entwickler ist die Berechnung, Simulation und sogar die Messung dieser Temperatur alles andere als trivial. 

Im Rahmen seines Vortrags erläutert Dr. Martin Schulz, wie sowohl die Ergebnisse einer thermischen Simulation als auch die Resultate tatsächlicher Temperaturmessungen an Leistungshalbleiter-Modulen richtig zu interpretieren sind. Im Vortrag wird es um die Bedeutung der sogenannten "virtuellen Chiptemperatur" gehen, welche die mathematische Grundlage z.B. für die Lebensdauerberechnung von Komponenten der Leistungselektronik darstellt. Da sich auf einem Leistungselektronik-Chip mit bis zu 15 mm Kantenlänge keine homogene Wärmeverteilung ausprägt, sind Simulationsergebnisse, genau wie Messungen am Device, immer zu interpretieren. Dabei führt eine konservative Interpretation zu einer unnötig kostspieligen Lösung, eine zu optimistische Abschätzung verfehlt hingegen das Lebensdauerziel. 

Der Vortrag von Dr. Schulz wird die physikalisch-mathematischen Grundlagen erläutern und Verfahren darstellen, wie Entwickler "die Chiptemperatur" messtechnisch korrekt erfassen können.

With the rapid growth of power electronics applications and the increasing integration of systems in harsh working conditions, it becomes more important to reliably and accurately estimate the lifetime of power semiconductors in the design phase using real mission profiles.

To perform such calculations, complex analysis and simulations need to be performed, which very often stress tools and methodology to their limits. Very long and highly variable profiles generate large amounts of data, which need to be processed. Such is the case for solar and wind power converters, for example, where the operating conditions are highly variable and challenging to analyze. 

Understanding the impact that real usage profiles are expected to have is crucial – on one side for reliability improvement, and on the other, for reducing the costs of power electronics systems. This talk presents the methodology to estimate the lifetime of a power semiconductor, which is based on power cycling curves extracted from Infineon devices and considering real mission profiles. In addition, the benefit of having online tools to support the design process of a power electronics system is also explained.

Leistungselektronik-Steuergeräte (Power Control Units) sind Schlüsselkomponenten bei der Energiewandlung und Energieverarbeitung, sie müssen unter den unterschiedlichsten Bedingungen zuverlässig funktionieren. Somit wird an diese Produkte eine Vielzahl von Anforderungen gestellt, darunter auch die Dichtheit gegenüber Schmutz und Feuchtigkeit.

Weil das Eindringen von Flüssigkeiten zu gravierenden Fehlfunktionen und Folgeschäden führen kann, kommt der Dichtheitsprüfung als 100%-Stückprüfung im Rahmen der End-of-Line-Prüfung im Produktionsprozess eine besondere Bedeutung zu. Neben äußeren Einflüssen (abhängig vom Einsatzort) entsteht im Betrieb Wärme, wodurch sich bei gekapselten Produkten temperaturbedingte Druckänderungen und damit verbunden zyklischer mechanischer Stress auf Dichtungen und Nähte ergeben - was wiederum zu Undichtigkeiten führen kann. 

Je nach Typ (gekapselt, Befüllung über ein Druckausgleichselement, Befüllung über eine Öffnung im Steckerbereich) ergeben sich für die Dichtheitsprüfung spezifische Herausforderungen. Dieser Vortrag behandelt praxisnah die Umsetzung der Dichtheitsprüfung in den Produktionsprozess von Leistungselektronik-Steuergeräten.

Mit der zunehmenden Verbreitung der Elektromobilität steigt auch die Nachfrage nach Leistungselektronik, die für den effizienten Betrieb von Elektrofahrzeugen und der zugehörigen Infrastruktur eine entscheidende Rolle spielt.

Als Spezialist für Stromverteilungssysteme hat Würth Elektronik ICS umfangreiches Know-how aufgebaut, um ein entscheidendes Merkmal für die Entwicklung dieser Art von Systemen bereitzustellen: die Fähigkeit, große Strommengen in eine Leiterplatte einzuspeisen. 

Dieser Vortrag stellt verschiedene Technologien und Komponenten vor, mit denen sich diese Funktionen realisieren lassen. Der Referent wird praktische Beispiele zeigen, die auf realen Felderfahrungen basieren.

Platinenhersteller sehen sich angesichts der zunehmenden Produktkomplexität mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert. Einerseits wird mehr Flexibilität bei Designänderungen und eine höhere Vorhersagbarkeit der Leistungsfähigkeit erwartet. Auf der anderen Seite muss die Qualität und die Zuverlässigkeit gesteigert werden, während die Kosten gesenkt und die Zeit bis zur Markteinführung verkürzt werden soll.

Um diese Herausforderungen zu meistern und gleichzeitig die oben genannten Ziele zu erreichen, besteht ein Schlüsselaspekt darin, das Verhalten des Designs oder des Produkts virtuell vor den physikalischen Labortests vorherzusagen, um die Absicherung auf die vielversprechendsten Entwürfe zu fokussieren und somit den Zeit- und Kostenaufwand während der Validierungsphase zu begrenzen. Weil die Temperatur und Vibrationen für etwa 75 % aller Fehlfunktionen in der Elektronik verantwortlich sind, ist ein wichtiger Aspekt der Entwicklung, die Vorhersage und Optimierung der Produktlebensdauer unter thermischen oder Schwingungsbelastung in den frühen Phasen des Designs, um frühe Fehlerquellen schnell zu identifizieren und zu minimieren. 

Dieser Vortrag zeigt, wie durch automatisierte Modellierung eine effiziente virtuelle Umgebung geschaffen wurde, um die mechanische Zuverlässigkeit von elektronischen Bauteilen vorherzusagen. Zwei Fälle werden hervorgehoben, wobei der erste die thermomechanische Belastung von PCB-Komponenten berücksichtigt, basierend auf den veröffentlichten Methoden von Blattau und Darveaux, die die Kriechverformung und die Energiedichte berücksichtigen. Im zweiten Fall werden die Vibrationsbelastung und die Ermüdungsfestigkeit der Komponenten nach der Steinberg Methode dargestellt. Durch die Integration dieser Werkzeuge in den internen Entwicklungsprozess konnte die Entwicklungszeit des Produkts deutlich verkürzt werden.