Entwickler leistungselektronischer Systeme stehen in allen Phasen der Entwicklung vielen Herausforderungen gegenüber. Der aktuelle Trend in der Leistungselektronik zu immer höherer Effizienz bei gleichzeitig höheren Leistungsdichten und höherer Zuverlässigkeit führt zu ganz neuen Herausforderungen während der Entwicklungsphase, wie zum Beispiel das Wärmemanagement. Aber die Systemanforderungen gestalten sich auch zunehmend komplexer und Ressourcen und Projektzeiten sind begrenzt. Kein Wunder also, dass Systementwickler heute dazu tendieren, beim Design ihrer Schaltkreise den effektivsten Weg zu wählen. Dafür benötigen Ingenieure von ihren Lieferanten Daten, die ihnen zeigen, wie sie die Leistungshalbleiter in ihren Anwendungen auf die bestmögliche Art einsetzen. Sie brauchen in anderen Worten Daten, um die zuverlässigste Lösung mit der einfachsten Nutzung und den niedrigsten Kosten zu finden.

Das Power-Lab von Rohm Semiconductor in Willich-Münchheide soll Entwicklern leistungselektronischer Systeme technischen Support auf der Applikationsebene direkt vor Ort bieten.

Das Power-Lab von Rohm Semiconductor in Willich-Münchheide soll Entwicklern leistungselektronischer Systeme technischen Support auf der Applikationsebene direkt vor Ort bieten. Rohm

Für jeden Leistungshalbleiter existiert ein Datenblatt und für jedes Power-Board gibt es Systemanforderungen. Aber manchmal sind die Betriebspunkte der fertigen Anwendungen nicht im Datenblatt abgedeckt. Ein Grund dafür ist, dass Leistungshalbleiter oft in vielen verschiedenen Anwendungsgebieten einsetzbar sind, in denen verschiedene Parameter wichtige Rollen spielen. Abhängig von der Anwendung kommen beispielsweise verschiedene Lasten (DC-Motoren, AC-Motoren oder Akkus) und unterschiedliche Stromquellen (Batterien, Stromnetz) zum Einsatz. Soll das fertige Produkt auf der ganzen Welt Verwendung finden, müssen Faktoren wie Umweltbedingungen und unter Umständen variierende Leistungsfähigkeit des Netzes Berücksichtigung finden.

Ein Datenblatt kann unmöglich alle denkbaren Parameter für alle denkbaren Anwendungen abdecken. Daher brauchen Ingenieure technischen Support auf der Applikationsebene, am besten direkt vor Ort – wie beispielsweise im Power-Lab von Rohm.

Entwurf des Labors

Bei der Planung des Labors hatten Faktoren wie die Qualität der Laborgeräte und die Sicherheit der Mitarbeiter die höchste Priorität beim Aufbau der Teststände mit State-of-the-Art-Technologie. Gleichzeitig waren Flexibilität und Skalierbarkeit sehr wichtig. Um Kunden schnellen und hochqualitativen Support zu bieten, müssen die Testaufbauten flexibel und modular sein, um verschiedene Boards sowie Systeme testen zu können. Darüber hinaus muss das Power-Lab auch auf zukünftige Produkte und Markt-Trends vorbereitet sein.

Dass das Labor kein Produkt von der Stange sein würde, wurde schnell klar und nach erfolgter Spezifizierung der benötigten Teststände entschied sich Rohm, die Entwicklung des Power-Labs mit eigenen Ingenieuren selbst zu übernehmen. Auf diese Weise ließ sich eine hohe Qualität und Zuverlässigkeit der Teststände sicherstellen und zukünftige Anpassungen lassen sich problemlos durchführen. Nach mehrmonatiger Bauzeit ging das Power-Lab Ende 2017 schließlich in Betrieb und ermöglicht die Analyse von Halbleiterkomponenten wie SiC-MOSFETs, SiC-Dioden, IGBTs, Silizium-Power-MOSFETs und Gate-Treiber mit Spannungen bis 8000 VDC.

Elektrische und kalorimetrische Tests

Mit dem Power-Teststand lassen sich Wandler unter echten Anwendungsbedingungen testen. Ein Teil der genutzten Energie wird dabei wieder ins Netz zurück gespeist.

Mit dem Power-Teststand lassen sich Wandler unter echten Anwendungsbedingungen testen. Ein Teil der genutzten Energie wird dabei wieder ins Netz zurückgespeist. Rohm

Die Teststände für die elektrische Charakterisierung sind für die Analyse von MOSFETs, IGBTs und Dioden vorgesehen. Hier lassen sich Schaltzeiten und -verluste, Leitungsverluste und das Kurzschlussverhalten mit Spannungen bis zu 1500 V messen. Das modulare Konzept stellt eine hohe Flexibilität sicher und ermöglicht den Test verschiedener Gehäuse (THD, SMD, Module, Kunden-Boards). Ein weiterer Hochspannungsteststand ermöglicht Charakterisierungsmessungen mit bis zu 8000 VDC. Er ist in einem eigenen Raum untergebracht, um den Testingenieur während des Betriebs zu schützen.

Mit dem Power-Teststand sind Wandler (AC/DC, DC/DC, DC/AC und AC/AC) unter echten Anwendungsbedingungen bis zu 15 kVA charakterisierbar. Zusätzlich kann der Teststand mit Power-Analyzern hochgenaue Messungen von Effizienz und Verlusten durchführen. Der Teststand enthält eine AC-Stromquelle zur Netzsimulation und verschiedene elektrische Lasten (AC und DC). Maximale Spannungen beim Test sind 1500 VDC und 400 VAC. Zusätzlich erlaubt eine regenerative Funktion einen Teil der genutzten Energie wieder ins Netz zurückzuspeisen, was zu einem niedrigen Energieverbrauch während des Testens führt.

Am kalorimetrischen Teststand lässt sich das thermische Verhalten von Leistungshalbleitern untersuchen. Die DUTs (Device under Test) können Module oder diskrete Halbleiter sein, genauso wie elektronische Leiterplatten oder sogar komplette Systeme. Der Teststand enthält kontinuierliche Stromquellen mit hohem Stromniveau. Eine Klimakammer ermöglicht die Durchführung der Tests unter speziellen Umgebungsbedingungen mit Temperaturen zwischen -40 °C und +180 °C und einer Luftfeuchtigkeit zwischen zehn Prozent und 98 Prozent. Ein weiterer Teststand erlaubt Ingenieuren die Isolation von in-house entwickelten Schaltkreisen, Leiterplatten oder Referenzdesigns zu testen. Die Stromquelle hat eine programmierbare Ausgangsrampe von bis zu 6 kV und 10 mA und erlaubt den Test von Luft- und Kriechstrecken isolierter Gate-Treiber-Boards.