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Positionspapier
Leistungselektronik |
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| Aktuelle Arbeitsfelder |
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- Leistungshalbleiter-Bauelemente
- Leistungselektronische Systemintegration
- Informations- und Kommunikationstechnik für leistungselektronische Anlagen und Geräte
- Rückwirkungen durch Leistungselektronik (Netz, Maschinen, gemeinsam mit FB2)
- Leistungselektronik
- für Antriebe (gemeinsam mit FB 4)
- für elektrische Energieumformung
- für Stromversorgung (USV, Schaltnetzteile)
- für Kompensation, Filter, Facts
- für technische Prozesse
- für Kraftfahrzeuge
- für Haushalt und Gewerbe
- Verbindung zu EPE
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| Positionspapier |
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| Stand der Technik und Marktsituation
Die Bauelemente als Schlüsselkomponenten der Leistungselektronik sind Voraussetzung für Innovationen auf vielen Gebieten: elektrische Antriebstechnik, Bahntechnik, Energieerzeugung, -übertragung und -konditionierung sowie Konsumgüter. Jede Art der gewünschten Umformung hinsichtlich Strom, Spannung, Frequenz und cos j läßt sich heute realisieren. Im informationsverarbeitenden Teil leistungselektronischer Geräte und Anlagen gehören durchgängig digital arbeitende Steuerungen und Regelungen unter Nutzung von Controllern und digitalen Signal-Prozessoren (DSP) zum Standard.
Die Verfügbarkeit von IGBT-Modulen für 3,3 kV bis 4,5 kV bei Strömen bis 2000 A sowie GTO-Thyristoren für 6 kV und Strömen bis 6000 A führte dazu, daß PWM-Techniken in den MVA-Bereich vordringen. Die Weiterentwicklung des konventionellen GTO zum "hard drive"-GTO oder IGCT ermöglicht ein transistorähnliches Abschalten bei Verzicht auf eine kapazitive Beschaltung. Dadurch lassen sich höhere Schaltgeschwindigkeiten bei niedrigen Durchlaß- und Schaltverlusten erzielen; auch konnte die Freilaufdiode integriert werden. Der IGCT-Einsatz in Umrichtern für die 16 2/3-Hz-/15-kV-Bahnenergieversorgung bis 100 MVA stellt die spektakulärste Anwendung dar.
Im unteren Leistungsbereich verspricht die CoolMos-Technik gegenüber konventionellen Hochvolt-Mosfet bei gleicher Chipfläche einen wesentlich niedrigeren RDS(on) und damit weniger Probleme mit den Gesamtverlusten. Für klassische Hoch-/Tief-Setzsteller, Schaltnetzteile, USV-Anlagen oder Induktionsherden mit CoolMOS-Transistoren lassen sich so Verbesserungen erreichen.
Die Leistungselektronik bleibt eine systemübergreifende Schlüsseltechnik für die gesamte Energie- und Automatisierungstechnik. Ihr Wertanteil in technischen Produkten und Systemen wird nach einer Prognose des VDE bis zum Jahr 2001 auf mindestens 20 % steigen. |
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| Trends |
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| Die Verbesserung bekannter Halbleiterstrukturen und Entwicklung von Innovationen erweitern die Einsatzgebiete der Leistungselektronik auch in Zukunft. Der heutige Stand bei den IGCT und hochsperrenden IGBT (bis zu Spannungen von 6,5 kV) verschlechtert die Marktchancen konventioneller GTO.
Die Entwicklung von MTO-Thyristoren (Mos turn off) muß zukünftig ebenfalls beachtet werden, weil die einfache Ansteuerung die Zuverlässigkeit erhöht. Die Hochleistungsbauelemente werden neben den bekannten High-Tech-Anwendungen wie Hochgeschwindigkeitstriebzüge oder Bahnstromversorgungen auch die Entwicklung von Mittel- und Hochspannungs-Facts bis in den 100 MVA-Bereich ermöglichen. Dabei finden "multi level designs" und "soft-switching techniques" Anwendung. Ebenso ist zu erwarten, daß PWM-spannungsgeführte Systeme mit abschaltbaren Bauelementen stromgeführte Systeme auf Thyristorbasis sowie Cycloconverter in VAR-Anwendungen bei Neuentwicklungen ablösen.
Die aktuellen Arbeiten zu rückwärts sperrfähigen IGBT und Trench-Strukturen sowie zu bidirektional abschaltbaren Bauelementen verdienen Beachtung: Mit Hilfe dieser Elemente würden nicht nur die Matrixstromrichter eine noch größere Aufmerksamkeit erlangen. Inwieweit Siliziumkarbid-(SiC)-Leistungsbauelemente oder der Bereich von Leistungshalbleitern unter Bedingungen der Supraleitung schon zu industriellen Anwendungen führen, bleibt abzuwarten.
In der Leistungselektronik müssen hohe Pulsfrequenzen gefordert werden, um den Systemwirkungsgrad bei niedriger Oberschwingungsbelastung des speisenden Netzes und der Last zu verbessern. Hohe Pulsfrequenzen reduzieren letztlich auch Volumen, Gewicht und Geräusche. Bis zu welchen Leistungsgrenzen und in welchen Anwendungen hart oder weich schaltende Topologien sinnvoll sind, läßt sich zur Zeit noch nicht abschließend beantworten. Daher bleiben auch in Zukunft die von den Stromrichtern erzeugten Oberschwingungen und hochfrequenten Emissionen ein Thema.
Einen anderen Weg zur Erfüllung der Forderung "Mehr auf kleinerem Raum für weniger Geld" bildet die monolithische Integration sowie hybride Systemintegration. Erste Ergebnisse der monolithischen Integration sind Brückenschaltungen mit IGBT im Spannungsbereich bis 600 V. Die höheren Gesamtverluste erweisen sich gegenüber einer diskreten Lösung noch als nachteilig.
Die verfügbaren IPM und ASiPM stellen geeignete Ansätze der hybriden Integration dar, die eine weitere Systemintegration jedoch künftig ablösen sollte, u.a. mit Hilfe innovativer Konzepte mit neuen Materialien zur Wärmeabfuhr, zu Chip-Aufbau- und Verbindungstechniken. Ergebnisse liegen mit I = 30 A und U = 1200 V vor. Das Potential für die Weiterentwicklung liegt hier in der NPT-Technik mit Einführung der Trenchstruktur und einem neuen Konzept für die Freilaufdiode. Die Produkte der hybriden Systemintegration werden die Entwicklung von Mechatroniksystemen beeinflussen.
Die Arbeitsgebiete des FB 5 haben sich in den letzten Jahren entsprechend der technischen Entwicklung und hinsichtlich vorgegebener Prioritäten verändert. Leistungselektronische Stellglieder sind oft Teilkomponenten eines größeren Systems. Da hier inzwischen ausgereifte Geräte zur Verfügung stehen, können die Anwender in vielen Fällen selbst eine Lösung finden. Dies trifft grundsätzlich für alle technisch orientierten Bereiche zu. Nach einer Phase, in der die Entwicklung der Technik selbst im Vordergrund steht, treten Probleme der Anwender auf: Die Leistungshalbleiter bleiben vor allem unter dem Aspekt der EMV ein aktuelles Thema. Verstärkt müssen jedoch die Gesamtsysteme, daraus abgeleitete Querschnittsaufgaben und die Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten in den Blickpunkt gerückt werden. |
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