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Trends in der modernen Leistungselektronik : Ausgabe 06/2015, 02.04.2015

«Power Goes Fast and Smart»

In Zeiten von Smartphones und iPads, Industrie 4.0 und Internet of Things rücken die «Schwergewichte» des Halbleiterbereichs vermeintlich etwas in den Hintergrund. Doch der Eindruck täuscht: Immer smartere, digitalere, netzunabhängigere, dezentralere und effizientere Stromversorgungen machen Power Management ICs, Schaltregler und MOSFETs zu Kernkomponenten dieser Systeme.

Autor: Andreas Glaser

Neben den Effizienzsteigerungen bei den Stromversorgungen fordern zusätzlich Wachstumsmärkte und Applikationen wie Wireless Charging, Energy Harvesting und Digital Power neue Technologien und Prozesse von der Leistungselektronik. Aus diesen Gründen kämpft man derzeit um jedes Quäntchen Effizienz. Drei Antriebsfedern sorgen für die meisten Innovationen:

  • Die Reduzierung der statischen und dynamischen Verlustleistung erlaubt kleinere Bauweisen bei gleicher Leistung, deutlich geringere Wärmentwicklung in den Applikationen und nicht zuletzt höhere Effizienz im Gesamtsystem, was hinsichtlich verschiedener Normen (z.B. 80-Plus-Zertifikat) immer wichtiger für die Produktentwicklung wird.
  • Die Optimierung der thermischen Eigenschaften sorgt für eine höhere Lebensdauer der Bauelemente und des Systems.
  • Die höhere Integration der Bauelemente gewährleistet unter anderem eine kompaktere Bauweise sowie eine einfachere Verarbeitung und Materialbeschaffung.

Diskrete IGBTs und IGBT-Module

Die bipolaren Schalter – mit ihren populären Mitgliedern, den diskreten IGBTs und IGBT-Modulen – erleben derzeit dank höherer Integration von Komponenten und schnellerer Schaltfrequenzen eine deutliche Erweiterung ihres Einsatzgebietes. Es reicht von der klassischen Motorsteuerung über Solarinverter bereits bis zu Schaltnetzteilen. Durch Modullösungen lassen sich zuverlässige, effiziente und kompakte Systemlösungen realisieren. Rutronik bietet hier mit den Herstellern Infineon, ST, Rohm, Vishay, BYD, Bosch und Vincotech ein breites Portfolio an «State-of-the-Art»-Produkten.

MOSFET haben reduzierten Innenwiderstand

Die aktuellen unipolaren Schalter, allen voran die Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFET), erfüllen durch ihren reduzierten Innenwiderstand (RDSon) und ihre verringerten parasitären Kapazitäten den Wunsch nach Miniaturisierung und Reduzierung der Verlustleistung. Damit stellen sie die Entwickler jedoch vor neue Herausforderungen. Denn diese Massnahmen haben nicht nur geringere Verluste zur Folge, sondern auch höhere Schaltfrequenzen. Auch die Miniaturisierung der Gehäuse trägt durch kleinere Chipflächen zu schnelleren Schaltgeschwindigkeiten bei.

Diese schnellschaltenden MOSFETs zu bändigen und damit die EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit) zu gewährleisten, wird zur zentralen Aufgabe in der Systementwicklung. Diese lässt sich vor allem durch die richtige Ansteuerung des MOSFETs sowie ein optimales Schaltungs- bzw. PCB-Layout lösen. Weniger Leiterbahnen und intelligent angeordnete Systemkomponenten können induktive Streuverluste erheblich minimieren. Die perfekte Abstimmung bzw. Anpassung der vorgeschalteten MOSFET-Treiber gehört zu den zentralen Punkten in der Schaltungsentwicklung.

Automotive-Anwendungen verlangen zertifizierte Bauteile

Für Automotive-Anwendungen sind zunehmend AECQ-100 zertifizierte Bauelemente mit einem erweiterten Temperaturbereich bis 125°C gefragt. In extremen Umgebungsbedingungen, wie z.B. im Motorraum, gibt es sogar Temperaturanforderungen bis 200°C. Hier sind die Hersteller gefordert, durch innovative Lösungen beim Bonding, den erhöhten Kundenanforderungen gerecht zu werden. Konventionelle Verarbeitungsmethoden stos- sen hier an Grenzen, die eine funktionale Sicherheit und Robustheit nicht mehr garantieren können.

Wide-Band-Gap-Schalter

Wide-Band-Gap-Bauelemente mit Silizium- Carbid-(SiC-) und Gallium-Nitrid-(GaN-) Schal- tern und J-FETs bestechen durch hohe Performance hinsichtlich der Verlustleistung sowie durch ausgezeichnete thermische Eigenschaften. Sie erreichen niedrige Schaltverluste bei hohen Schaltfrequenzen und hohen Sperrspannungen, was für energieeffiziente Systeme wie USV, Solar, Photovoltaik sowie E-Mobility-Applikationen hochinteressant ist. Um zu beurteilen, ob sich die höheren Kosten dieser Technologie bzw. Komponenten rechnen, muss man die Systemkosten betrachten. Denn diese sorgen für Einsparungen an anderer Stelle. Es genügen beispielsweise passive Bauelemente in deutlich kleinerer Bauform, Spulen und Filter fallen kleiner aus. Auch der Kostentreiber «Kühlkörper» kann in Bauform und Grösse deutlich reduziert werden oder er wird sogar komplett unnötig.

Innovationen führen zu effizienteren und kompakteren Endgeräten

Diese Innovationen werden dazu beitragen, effizientere, komfortablere, leistungsfähigere und kompaktere Endgeräte zu entwickeln. So lassen sich etwa Netzadapter direkt im Gerät verbauen oder Sensoren, Kleinstmotoren und Geräte innerhalb des Internet of Things autark mit Spannung versorgen. Auch die drahtlose Leistungsübertragung bei höherer Leistungsdichte wird realisierbar.

Technologien wie SiC und GaN, die erst am Anfang des Produktlebenszyklus stehen, befeuern diese Entwicklung zusätzlich. Mit Fortschreiten ihres technologischen Reifeprozesses werden sie zudem neue Märkte und Applikationen erobern. Trotzdem werden sie die technologisch ausgereiften, höchst zuverlässig arbeitenden Siliziumbauelemente nicht komplett ablösen, die grosse Vorteile in punkto horizontale Integration, Robustheit und Kosten bieten.

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Innovationen werden dazu beitragen, effizientere, komfortablere, leistungsfähigere Systeme und Geräte zu entwickeln

Autor

Andreas Glaser, Senior Marketing Manager Power Semiconductors bei Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH

80 Plus

Laut Wikipedia ist 80 Plus eine nordamerikanische Initiative zur Förderung von PC-Netzteilen, die einen Wirkungsgrad von 80 Prozent oder höher aufweisen. Die Initiative listet auch konforme Geräte und stellt die entsprechenden Messprotokolle im Internet zur Verfügung.

Rutronik im swissT.net

Sektion 15: Elektronische Komponenten