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Samuel Vasconcelos Araújo forscht am Kompetenzzentrum für Dezentrale Elektrische Energieversorgungstechnik (KDEE).
Prüfstand für Leistungshalbleiter.
Eine mögliche Erhöhung der Schaltfrequenz als Funktion der Reduzierung der Schaltenergie unter Beibehaltung der gesamten Schaltverluste.
Auf Modulebene kümmern sich verschiedene Projekte um zusätzliche Optimierungen. Dazu zählt die Skintechnik von Semikron.
Auf Modulebene kümmern sich verschiedene Projekte um zusätzliche Optimierungen. Dazu zählt die Einbettungstechnik von Rohm.
Auf Modulebene kümmern sich verschiedene Projekte um zusätzliche Optimierungen. Dazu zählt die Einbettungstechnik von Infineon.
Die Erhöhung der Kernverluste in Ferriten aufgrund der Erhöhung des du/dt-Werts.
Eine potenziale Reduzierung der Baugröße des Netzfilters vom PV-Wechselrichter dank der erhöhten Schaltfrequenz.
Die Preisverleihung des Young Engineer Awards auf der PCIM.

Die Preisverleihung des Young-Engineer-Awards gehört zu den jährlichen Highlight-Events der Elektronik im Frühling. Bestehen müssen die eingereichten Beiträge vor den Kriterien Neuigkeitsgehalt, gemessen an der Erstveröffentlichung, und der Aktualität des Themas. Zu den glücklichen Gewinnern des begehrten Preises gehörten 2013 Samuel Araújo sowie Radoslava Mitova von Schneider Electric und Daniel Wigger von der Universität Rostock.

7617 Kilometer Luftlinie

Der Brasilianer Samuel Vasconcelos Araújo ist in Fortaleza geboren; die Großstadt hat mehr als zwei Millionen Einwohner. Er studierte Elektrotechnik an der Bundesuniversität von Ceará (UFC) – die Hochschule liegt in einem der 26 sonnenreichen Bundesstaaten Brasiliens, im Norden und Nordosten vom Atlantik begrenzt. Von dort aus ging es nach Deutschland, wo Samuel Vasconcelos Araújo im Jahr 2007 an der Universität Kassel den Masterstudiengang Regenerative Energien und Energieeffizienz erfolgreich abschloss und dann in 2013 die Promotion mit Auszeichnungen bestand.

Auf einen Blick

Samuel Vasconcelos Araújo forscht am Kompetenzzentrum für Dezentrale Elektrische Energieversorgungstechnik. Mit seinem auf der PCIM eingereichten Paper und der Ausarbeitung des Themas „Hohe Schaltgeschwindigkeiten und Verlustreduzierung“ gewann er den jährlich ausgeschriebenen Young Engineer Award.

Seit 2007 arbeitet er als Entwicklungsingenieur an verschiedenen Projekten im Bereich Leistungselektronik in enger Kooperation mit der Industrie, zuerst in dem ehemaligen ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik, das heutige Fraunhofer IWES) und seit Januar 2009 an der Universität Kassel in dem von Professor Peter Zacharias gegründeten Kompetenzzentrum für Dezentrale Elektrische Energieversorgungstechnik (KDEE). Seit Juli 2012 leitet er dort die Gruppe Leistungselektronik mit über 14 Mitarbeitern.

Der PCIM-Beitrag von Samuel Vasconcelos Araújo beleuchtet das Thema wie sich hohe Schaltgeschwindigkeiten und Verlustreduzierung erreichen lassen und welche Aussichten Si, SiC und GaN haben sowie welche Einschränkungen auf Bauelemente-, AVT- und Applikationsniveau bestehen. Als weitere Autoren des Beitrags sind Thiemo Kleeb und Peter Zacharias angegeben.

Auf Leistungselektronik fokussiert

Die Baugröße von leistungselektronischen Wandlern zu reduzieren hilft, Kosten zu senken und die Leistungsdichte zu erhöhen. Möglich ist das in den meisten Fällen dank erhöhter Schaltfrequenz. Darüber hinaus besteht das allgemeine Ziel, die Verluste auf einem geringeren Niveau zu halten, um sowohl den Aufwand mit Kühlung als auch die Umwandlungseffizienz nicht negativ zu beeinflussen.

Diese sich auf den ersten Blick widersprechenden Entwicklungsziele lassen sich nur durch den Einsatz von neuen Leistungshalbleitern erreichen, die eine deutlich geringe Schaltenergie aufweisen. In den letzten Jahren haben die Entwicklungen von IGBTs und Superjunction-MOSFETs einen wichtigen Beitrag geleistet. Zunehmende Bedeutung gewinnen Schalter, die auf Materialen wie SiC und GaN basieren. Der positive Effekt entsteht aufgrund ihrer hochsperrenden unipolaren Strukturen mit geringeren parasitären Kapazitäten. Diese zwei Eigenschaften ermöglichen eine erhebliche Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit und folglich eine Senkung der Schaltenergie gegenüber den oben erwähnten Si-basierenden Lösungen.

Schneller schalten

Als direkte Folge der verkürzten Schaltzeiten werden die Schaltflanken steiler. Das bedeutet, das die di/dt- und du/dt-Werte steigen; sie stellen die Bauelemente und die Systemebene vor gleich mehrere Herausforderungen. Sehr kritisch ist die Überspannung beim Ausschalten, die aufgrund der parasitären Induktivitäten des Kommutierungskreises auftritt. Infolgedessen spielt die weitere Entwicklung sowohl von SMD-Packages wie Can-Pak, Thin-Pak und LGA als auch von Zwischenkreiskondensatoren mit niederinduktiven Anbindungen eine entscheidende Rolle.

Auf Modulebene kümmern sich verschiedene Projekte um zusätzliche Optimierungen. Dazu zählen etwa die Skintechnik von Semikron und Einbettungs-Techniken etwa von Rohm oder Infineon. Ein weiteres kritisches Bauteil ist der Treiber, der unter erhöhten Spannungsflanken Belastung erfährt. Folglich muss man sowohl die Isolation als auch die Gleichtaktunterdrückung deutlich verbessern. In direkten Zusammenhang damit steht die sicherere Ansteuerung der Bauelemente in Brückenschaltungen, um unerwünschte Effekte wie parasitäres Einschalten zu vermeiden.

Effizienz anstreben

Die größte Herausforderung auf Systemebene stellen die erhöhten elektromagnetischen Störungen dar, die wegen der schnellen Schaltflanken auftreten. Kopplungskapazitäten und parasitäre Induktivitäten, die entsprechend Gleich- und Gegentaktkomponenten verursachen, müssen Entwickler daher während der Auslegungsphase berücksichtigen.

Mögliche Maßnahmen sind die gezielte Dämpfung von hochfrequenten Oszillationen und die Eingrenzung der schnellen Flanken durch Minimierung des Kommutierungskreises. Nicht zuletzt konnte das Labor des KDEE über Messungen einen ziemlich unbekannten Effekt nachweisen: die Erhöhung der Kernverluste von Ferritmaterialen während des Betriebs mit hohen du/dt-Werten. Diese zusätzliche Verlustkomponente muss daher in der Auslegung von Filterinduktivitäten und Transformatoren für den Betrieb bei höheren Schaltfrequenzen Berücksichtigung finden.