Kein Bild vorhanden

Auf 13.300 Quadratmeter (2010 waren es nur 11.300 Quadratmeter) präsentierten sich in Halle 12 stolze 298 Austeller den 6653 Fachbesuchern. Das sind fünf Prozent mehr als im vergangenen Jahr, wo die Mesago PCIM 6319 Fachbesucher und 254 Aussteller verzeichnen konnte. Auch die Konferenz legte von 619 um 177 auf 736 Teilnehmer zu. Die Aussteller selbst waren mehr als zufrieden: „Es war die stärkste PCIM Europe der letzten Jahre“, kommentierte Bernd Haberzettl, Manager PR & Communication von Glyn in Idstein. Grund für den Ansturm sind zu einem guten Teil auch neue Technologien und Produkte, beispielsweise Semikrons moderne Verbindungstechnologie oder Siliziumkarbid-basierte (SiC) Bausteine von Semisouth oder Cree.

Good bye Bonddrähte

Semikron hat eine Verbindungstechnologie für Leistungshalbleiter vorgestellt, die bonddraht-, lot- und wärmeleitpastenfrei ist. Die moderne SKiN-Technologie ersetzt Bonddrähte durch eine flexible Folie sowie Lötverbindungen und Wärmeleitpaste durch Sinterverbindungen. So lässt sich eine Verdoppelung der Stromdichte mit 3 A/cm2 erzielen – im Vergleich zur Standard-Verbindungstechnik mit Bonddrähten, bei denen die Stromdichte 1,5 A/cm2 beträgt. Das Volumen eines Umrichters wird dadurch um 35 % reduziert. Einsatzbereiche: Umrichter in Fahrzeugen und Windkraftanlagen. So lässt sich zum Beispiel ein 3-MW-Windumrichter in einem Schaltschrank unterbringen. Vorteil der SKiN-Technologie: Die gesinterte Folie bindet den Chip vollflächig an – im Gegensatz zu Bonddrähten, die nur an den Kontaktstellen verbunden werden. Aufgrund der hohen Lastwechselfähigkeit ermöglicht die Verbindungstechnologie höhere Betriebstemperaturen, die sich bei Materialien, wie SiC und Galliumnitrid (GaN) ohne Kompromisse optimal nutzen lassen.

Auf einen Blick

Fukushima hat Deutschland aufgerüttelt. Für die Energiewende spielt die Leistungselektronik keine untergeordnete Rolle. Die PCIM zeigte es deutlich, dass erneuerbare Energien, allen voran Windkraft und Photovoltaik, sich zu den wichtigsten Einsatzbereichen für Leistungsbausteine gemausert haben. Entscheidend dabei: Leistungshalbleiter, Passive und Co. sollen in der Endapplikation für die höchstmögliche Energieeffizienz sorgen. Dabei spielt die Materialfrage der Bausteine eine wichtige Rolle. Mit Siliziumkarbid und Galliumnitrid stehen zwei Halbleitermaterialien in den Startlöchern, die hierbei ein Wörtchen mitzureden haben.

Nachdem Mitsubishi Electric zur PCIM 2010 die vierte Generation der Super-Mini-DIPIPM vorstellen konnte, warteten die Japaner dieses Jahr mit der 5. Generation für dreiphasige DC/AC-Umwandlung auf. Einsatzfelder: Anwendungen im unteren Leistungsbereich, wie Haushaltsgeräte und kleinere Industrieantriebe. Die Module sind für Nennströme von 5 bis 15 A bei einer Nennspannung von 600 V ausgelegt und setzen auf Mitsubishis moderne Full-Gate-CSTBTTM-Technologie, die für weniger Verluste sorgt. Auf Grund der Pin-Kompatibilität und identischen Gehäusemaßen von 38 mal 24 mm kann diese Serie die frühere Super Mini-DIPIPM-Familie der 4. Generation problemlos ersetzen. Weitere Vorteile: Die IPM verfügen über integrierte Bootstrap-Dioden sowie einen Open Emitter-Aufbau auf der N-Seite. Darüber hinaus sind Funktionen zum Schutz vor Kurzschlüssen (SC), Unterschreiten der Versorgungsspannung und Übertemperatur implementiert; für den Fehlerfall ist die Ausgabe eines entsprechenden Fehlersignals vorgesehen.

Leistungshalbleiter im Fokus

Mit neuen Entwicklungen konnten auch Leistungshalbleiterhersteller, wie Interna­tional Rectifier, Fairchild, Toshiba, Rohm, Semisouth oder Cree aufwarten. IR hat einen MOSFET für Automotive-Applikationen mitgebracht, dessen Besonderheit im modernen Wide-Lead-Gehäuse liegt. Damit lässt sich nicht nur der Leitungswiderstand im Vergleich zu herkömmlichen TO-262-Gehäusen um 50 % reduzieren. Resultat: Weniger Leitungsverluste und eine niedrigere Erwärmung in den Zuleitungen. Der Entwickler profitiert zudem von einem 30 % höheren Strom. Die Kalifornier haben die Bausteine für allgemeine THT-Anwendungen im Schwerlast-/Hochleistungsbereich entwickelt, die einen niedrigen Einschaltwiderstand (RDS(on)) benötigen. Einsatzbereiche: elektrische Servolenkungen oder Batterieschalter zum Einsatz in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor sowie in Mikro- und Vollhybrid-Autos.

Fairchild stellte einen 60-V-Power-Trench-MOSFET vor, mit dem sich nach Herstelleraussagen kleine Stromversorgungen, eine hohe Leistungsdichte und große Design-Effizienz realisieren lassen. Der N-Kanal-Power-Trench-MOSFET FDMS86500L wurde für DC-DC-Stromversorgungen, Motorsteuerungen, Hot-Swap- und Lastschaltanwendungen, aber auch für sekundärseitige synchrone Gleichrichter von Servern konzipiert. Die in einem 5 mal 6 mm großen Power-56-Gehäuse untergebrachte Komponente erzielt einen On-Widerstand von 2,5 mΩ bei VGS = 10 V und ID=25 A, was in niedrigen Leitungsverlusten resultiert. Darüber hinaus zeichnet sich der auf der Shielded-Gate-MOSFET-Technologie basierende FDMS86500L durch sehr niedrige Schaltverluste (QGD 14,6 nC typisch) aus. Weiterer Vorteil: hoher Gütefaktor, moderne Body-Dioden-Technologie für eine sanfte Abschaltcharakteristik sowie ein robustes MSL1-Gehäuse-Design.

DTMOS-III heißt die 600-V-Superjunction-MOSFET-Serie von Toshiba, die die Japaner nach Nürnberg mitbrachten. Der Hersteller schreibt es sich auf die Fahne, ein verbessertes Zusammenspiel von Wirkungsgrad und EMV-Verhalten bei seinen Komponenten erzielt zu haben durch eine ideale Kombination aus p/n-Säulen und ebener MOS-Struktur. Dadurch ließ sich das CGD/CDS-Verhältnis verbessern, was wiederum in einem besseren Schaltverhalten resultiert. Zudem punkten die Bauelemente mit niedrigem On-Widerstand und daraus folgend weniger Schaltverluste. Im Vergleich zu der ersten Generation dieser MOSFETs ist der RDS(on) nunmehr 22 Prozent niedriger. Endergebnis: Effiziente Stromversorgungen mit niedrigem Rauschen.

Rohm Semiconductor hat seine für PFC-Schaltungen in Schaltnetzteilen und netzbetriebenen Schaltungen vorgesehene MOSFET-Familie Presto-MOS ausgebaut. Die Bauelemente sind in diversen Gehäusekonfigurationen für SMD- (CPT/D-PAK, LPT/D2-PAK) und THT-Montage (z. B. TO3-PF) verfügbar. Vorteile: kurze Sperrverzögerungszeiten (trr), hohe Schaltgeschwindigkeit, hoher Wirkungsgrad und niedrige Verluste. Einsatzbereiche: integrierte Wechselrichter, Beleuchtungen, Motortreiber, Solar-Batterien, Power-Conditioner oder HF-Brückenschaltungen. Gestützt auf eine ionenbasierte Produktionstechnologie und moderne Hochspannungs-Prozesse, erzielt die Serie einen kleinen RDS(on), einen niedrigen QG-Wert und eine hohe Schaltgeschwindigkeit, was die Wechselrichter-Effizienz verbessert und den externen Bauteileaufwand reduziert. Durch die integrierte Body-Diode mit niedrigem trr-Wert ist eine externe Fast-Recovery-Diode überflüssig, so dass nur wenig Leiterplattenfläche benötigt wird.

Siliziumkarbid einsetzen

Die Zeichen stehen pro SiC – aber JFET oder Mosfet? Semi-south setzt auf Ersteres und hatte mit dem SJDP120R045 einen schnellen JFET (Normally-On) im Gepäck, der mit einem niedrigen On-Widerstand von 45 mΩ bei 1200 V punktet. Der Baustein ist für Applikationen, wie PV-Wechselrichter, Schaltnetzteile, Induktionserwärmung, USVs, Windkraftanwendungen oder Motorsteuerungen gedacht. Der RDS(on) wird durch eine relativ kleine Chipfläche möglich, die durch minimale Gatespannung und Eigenkapazität effizienten HF-Betrieb ermöglicht. Neben dem positiven Temperaturbeiwert, durch den sich parallel schalten lässt, kann der JFET bis zu seiner Höchstbetriebstemperatur von 175 °C reststromfrei und schnell schalten. Der Hersteller stellt die Komponente auch ohne Gehäuse für die modulare Integration zur Verfügung. Produktfamilie und Semisouth‘ SiC-Dioden überzeugten auch Modulhersteller Vincotech – Partnerschaft inklusive.

Infokasten

Aus zahlreichen eingegangenen Einreichungen vergab die Jury, bestehend aus den Konferenz-Direktoren, diesmal für folgende Beiträge den Young Engineer Award:
Johannes Kolb, Karlsruher Institut für Technologie (KIT): „A novel control scheme for low frequency operation of the Modular Multilevel Converter”
Anna Mayer, Universität der Bundeswehr München: „Control concept of the Modular High Frequency – Converter for vehicle applications”
Hitoshi Uemura, Mitsubishi Electric Corporation, „Optimized Design Against Cosmic Ray Failure for HVIGBT Modules“
Der Best Paper Award 2011 ging an Sebastian Liebig von Liebherr-Elektronik. Er setzte sich mit seiner Arbeit „Concept and prototyping of an active mains filter for aerospace application“ gegenüber 200 Mitbewerbern durch.

Cree macht sich für die MOSFET-Variante stark. Nachdem der Hersteller mit dem CMF20120D Anfang des Jahres bereits einen SiC-basierten Leistungs-MOSFET in den Markt eingeführt hat, stellte der Hersteller nun die Z-FET-1200-V-SiC-Familie für niedrige Amperezahlen vor. Sie soll für erhebliche Energieersparnis bei Solar, Stromversorgungs- und Antriebs-Applikationen im Bereich von 3 bis 10 kW sorgen. Der Baustein ist bei seiner Betriebstemperatur von 100 °C für 12 A und Sperrspannungen von 1200 V spezifiziert. Bei 25 °C weist er einen RDS(on) von 160 mΩ auf.

Im Vergleich zu Silizium-Schaltbausteinen mit ähnlichen Daten bleibt der RDS(on) der Komponente über den gesamten Betriebstemperaturbereich hinweg unter 200 mΩ, was zu um bis zu 50 % niedrigeren Schaltverlusten führt. Auch der Systemwirkungsgrad fällt erheblich höher aus und sorgt für weniger Wärme. Zusammen mit dem geringen Leckstrom von <1 µA spart das Platz und Gewicht und erhöht die Zuverlässigkeit eines Systems. Einsatzfelder: Hochspannungs-Netzteile und ergänzende Leistungselektronik speziell für die Umwandlung von Drehstrom, außerdem PV-Wechselrichter, industrielle Antriebe, DC-Stromversorgungsarchitekturen für Data-Center sowie PFC-Schaltungen.

Heiß diskutiert: Wide-Bandgap-Materialien

Im Zuge der Konferenz, die sich wie bereits erwähnt, einem Zuwachs von 177 Teilnehmern erfreuen durfte, wurde insbesondere auf Wide-Bandgap-Materialien eingegangen. Nicht überraschend das Ergebnis: SiC hat sich in der Leistungselektronik einen festen Platz verschafft. Hier ließ sich festhalten, dass Waferqualität und -größen einen entscheidenden Entwicklungsschub genommen haben. Schottky-Dioden mit Spannungen von 600 und 1200 V sind kommerziell verfügbar und werden in diversen Wandlerarten genutzt. Zusammen mit Si-Transistoren reduzieren sie die Schaltverluste erheblich. Als starker Applikationsbereich hat sich die Photovoltaik erwiesen, wo die Bausteine in Wechselrichtern zum Einsatz kommen. Gleichzeitig ist mit GaN ein weiterer Stern am Leistungselektronikhimmel aufgegangen, der eine Heteroepitaxie auf Siliziumwafern ermöglicht. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten in Hinsicht auf Kosten und einer Co-Integration der Siliziumtechnologie. Welches Material nun die entscheidende Nasenspitze voraus hat – da scheiden sich momentan noch die Geister.

Aktiv in der Entwicklung: Passive Bauelemente

Doch nicht nur bei den Leistungshalbleitern – auch im Bereich Passive konnte der Besucher einige Neuheiten besichtigen: So präsentierte beispielsweise AVX besonders stolz seine TCJ-Baureihe – 125-V-Tantal-Polymerkondensatoren mit nach Herstelleraussagen doppelter Nennspannung der heute auf dem Markt verfügbaren Produkte. Einsatzbereiche: Stromversorgungen für Notebooks, Telekommunikationsgeräte oder LED-Fernseher. Besonderheit: das Passieren der Grenze von 100 V. Der Hersteller konnte diesen Baustein entwickeln, weil er nicht nur seine Verfahren zur Optimierung der Kondensatorleistung, sondern auch die Zusammenarbeit mit den Polymerzulieferern verbessern konnte. Vorteil: Leitfähige Polymere verfügen über einen niedrigen ESR und hohe Flammpunkte. Darüber hinaus kann aufgrund der Spannungsfestigkeit von Polymerkondensatoren eine geringere Lastminderung von 20 % angesetzt werden. Bis jetzt wurde die Betriebsspannung von Tantal-Polymerkondensatoren jedoch durch die maximal realisierbare Durchschlagspannung begrenzt. „Die neuen Entwicklungen von AVX im Bereich der Polymertechnik sind genau auf das Problem der begrenzten Betriebsspannung ausgerichtet“, betont Martin Bárta, FAE Technical Marketing der Tantalum Devision bei AVX in Lankroun. „Wir gehen davon aus, dass wir zukünftig Produkte mit noch höheren Nennspannungen realisieren können.“ Entwicklungsmuster sind ab Juli 2011 erhältlich.

Auf dem Stand der Vacuumschmelze ließen sich stromkompensierte Entstördrosseln besichtigen, die mit Ringbandkernen aus dem nanokristallinen Magnetwerkstoff Vitroperm aufgebaut sind. Das Kernmaterial vereint in einer Legierung Permeabilitätswerte in einem Bereich von etwa 5000 bis über 150.000 sowie eine Sättigungsinduktion von 1,2 T. Resultat: Die Materialeigenschaften sorgen für ein um den Faktor 3 reduziertes Bauvolumen. Trotz hoher Induktivitätswerte der Drosseln lassen sich die Windungszahlen niedrig und der Kupferquerschnitt groß halten, was die Wicklungsverluste minimiert und den Systemwirkungsgrad erhöht.

Nanokristalline Funkentstördrosseln überzeugen mit einem breitbandigen Dämpfungsverhalten, das im niederfrequenten Bereich durch die hohe Materialpermeabilität und im höherfrequenten Bereich durch die niedrige Wicklungskapazität beschrieben wird. Dadurch lässt sich der Aufwand an kapazitiven Entstörmaßnahmen reduzieren oder sogar durch eine Filterstufenreduzierung die Zahl der passiven Bauteile verringern. Die nanokristalline stromkompensierte Funkentstördrossel-Familie UL1446 ist nach der EN50178 ausgelegt und eignet sich für Netzbetrieb als auch für hohe DC-Spannungen von über 1000 V. Applikationsfeld: EMV-Filter auf der Netzseite von Solarwechselrichtern oder panelseitig am Wechselrichtereingang.

Auch der Langenselbolder Hersteller Magnetec setzt auf nanokristalline Werkstoffe. Zur PCIM ließen sich auf dem Messestand Cool-Blue-Ringbandkerne aus Nanoperm besichtigen, die zum Einsatz kommen, um schädliche Motorlagerspannungen/-ströme bei Umrichter-Antriebssystemen mit hoher Leistung sowie hohen Taktfrequenzen zu reduzieren. Mit einem gezielten Einsatz der Komponenten lassen sich – neben minimierten Überspannungen an den Motorklemmen – auch die durch parasitäre Ableitkapazitäten des Motorkabels und des Motors verursachten asymmetrischen Störströme erheblich unterdrücken. Dazu müssen lediglich die Verbindungsleitungen im DC-Zwischenkreis oder am Umrichter-Ausgang gemeinsam durch einen oder mehrere Cool-Blue-Kerne mit geeigneter Geometrie geführt werden. Die Wirkung entspricht der einer Gleichtakt-Drossel. Vorteile: lange Lebensdauer der eingesetzten Motorlager, keine Ausfallzeiten und niedrige Kosten, weil Anlagenstillstand und Wartung vermieden wird.

Fazit: Die PCIM platzt zwar noch nicht aus den Nähten, der Zuwachs ist allerdings beachtlich. So war beispielsweise erstmals ein chinesischer Gemeinschaftsstand zu betrachten. Die Themen Energieeffizienz und Nachhaltigkeit standen aufgrund derzeitiger politischer Energie- und Elektromobilitätsdiskussionen eindeutig im Vordergrund. Spannend bleibt auch der Punkt, wie sich die Materialfrage – SiC versus GaN – weiterentwickelt. 

Stefanie Eckardt

1202.jpg
: Redakteurin elektronikJOURNAL für die Ressorts Leistungselektronik & Stromversorgungen, Elektromechanik & Steckverbinder, Passive und Optoelektronik.

Sie möchten gerne weiterlesen?

Registrieren Sie sich jetzt kostenlos:

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Sie sind bereits registriert?

Unternehmen

Cree Europe GmbH

Einsteinstrasse 12
85716 Unterschleißheim
Germany

Fairchild Semiconductor GmbH

Einsteinring 28
85609 Aschheim
Germany

International Rectifier The Observatory

Castlefield Road
0 Reigate Surrey
United Kingdom

Mesago Messe Frankfurt GmbH

Rotebuehlstraße 83-85
70178 Stuttgart
Germany

Mitsubishi Electric Europe Semiconductor European Business Group

Gothaer Straße 8
40880 Ratingen
Germany

Rohm Semiconductor GmbH

Karl-Arnold-Straße 15
47877 Willich
Germany

Semikron-International GmbH

Sigmundstraße 200
90431 Nürnberg
Germany

Toshiba Electronics Europe GmbH

Hansaallee 181
40549 Düsseldorf
Germany

Vacuumschmelze GmbH & Co. KG

Grüner Weg 37
63450 Hanau
Germany