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EFFICIENT. ROBUST. SCALABLE

Withepaper

RUTRONIK POWER

Die Märkte sind im Wandel

Sich verändernde Märkte verlangen nach neuen Lösungen. Viele Märkte sind gesättigt, Produkte werden durch zunehmende Standardisierung austauschbarer und funktional gleichwertiger. Technologische, regula-torische und wirtschaftliche Herausforderungen sowie steigende funktionale Komplexität sind die Realität in zahlreichen Marktsegmenten. Dies gilt insbesondere für die Bereiche Industrial, Automation, Automotive und White Goods (elektronische Haushaltsgeräte für den privaten und gewerblichen Gebrauch).

IndustrialIndustrieanwendungen stellen höchste Anforderungen an Technologien und Materialien. Gerade im Dauerbetrieb und unter Stressbedingungen müssen Technik und Material fehlerlos und hochpräzise arbeiten. Das Versagen auch nur einer Maschine oder Applikation bedeutet fast immer einen Fertigungsausfall und damit Gewinneinbußen. Das gilt es zu vermeiden durch die Entwicklung von robusten und zuverlässigen Anwendungen, die den unterschiedlichsten Anforderungen genügen. Darüber hinaus müssen Produktivität und Energieeffizienz industrieller Maschinen und Anlagen zukünftig weiter steigen. Zudem ist es oberste Priorität, die Sicherheit der Arbeiter zu gewährleisten, die diese Systeme bedienen.

Die Industrie steht momentan an der Schwelle der vierten industriellen Revolution - „Industrie 4.0“. Im Kern geht es darum, die virtuelle Welt der Informationstechnologie noch enger mit der realen Welt der Produktion zu verzahnen und Produkte und Wertschöpfung noch stärker zu digitalisieren. Der internationale Wettlauf hin zur nächsten industriellen Entwicklungsstufe hat längst begonnen. Themen wie kollaborative Roboter, smarte Produkte und Services, vernetzte Produktion und Logistik, innovative Applikationen oder neue Interaktions-formen haben im industriellen Umfeld längst Einzug gehalten.

Aber nicht nur auf technischer Ebene, sondern auch in den Unternehmen und der Gesellschaft wird „Industrie 4.0“ starke Veränderungen mit sich bringen. Gefordert sind interdisziplinäre und unternehmensübergreifende Zusammenarbeit sowie die Akzeptanz digitaler disruptiver Technologien und Geschäftsmodellen. Möglicher-weise besteht das eigentlich Revolutionäre von „Industrie 4.0“ darin, dass eine neue Art des industriellen Produzierens entsteht ohne feste Branchen- und Technologiezuordnung.

AutomationDie Automationsindustrie ist Schrittmacher für Innovationen, denn in vielen Fällen ist Automatisierung gleichbedeutend mit erhöhter Produktivität, geringerer Fehlerquote und gesteigerter Effizienz. War die Automatisierungstechnik ursprünglich auf die Produktion von Großserien beschränkt, so ist es heutzutage durch Flexibilisierung und Standardisierung zunehmend möglich auch die Produktion von Kleinserien zu automatisieren. Damit ist Automatisierung einer der wichtigsten Stellhebel für die gesamte Industrie, denn die bedeutendsten Innovationen sind in diesem Bereich zu erwarten.

Mit einem Wachstum von vier bis fünf Prozent rechnen die im Fachverband Automation des Zentralverbands Elektrotechnik- und Elektronikindustrie1 zusammengeschlossenen Anbieter von Produkten, Systemen und Lösungen für die Automation von Fabriken, verfahrenstechnischen Prozessen und Infrastruktur-Netzwerken. Begründet wird diese positive Entwicklung mit den Stärken der deutschen Automationsindustrie im Bereich der industriellen Kommunikation, bei der Entwicklung intelligenter Komponenten wie Sensoren, Steuerungen und Antriebe sowie bei der Integration dieser Komponenten zu Systemen und Gesamtlösungen. Die kontinuierliche Weiterentwicklung von Produkten und Lösungen in der Automation erfordert standardisierte und flexibel anpassbare industrielle Dienstleistungen, die sich an dem gesamten Lebenszyklus einer Applikation orientieren.

In künftigen Systemlösungen wird eine klare Abgrenzung zwischen Produkt und Dienstleistung immer schwie-riger werden. In der Applikation bedingen Funktion und Service einander, der Service kann sogar Teil der Funktion sein. Beispiele sind Instandhaltungsmaßnahmen in Maschinen und Anlagen auf der Grundlage von Condition Monitoring und Remote Support. Sie sind Voraussetzung, um den Betrieb unter optimierten Bedin-gungen fortsetzen zu können. Die Integration der internetbasierten Kommunikation in der Industrie spielt in diesem Zusammenhang eine immer wichtigere Rolle.

AutomotiveAutokäufer legen immer mehr Wert auf neue und anspruchsvolle Consumer- und Sicherheitslösungen. Diese erfordern im Fahrzeug komplexe und hochperformante Systeme. Beispiele sind Radar- und Kamera-basierte Fahrassistenzsysteme sowie höhere Grafikfähigkeit bei Infotainment, Armaturenbrett und Head-up-Displays. Einige dieser Produkte basieren auf Halbleiter- und Fertigungstechnologien, die nicht mit den Anforderungen der Automobiltechnik kompatibel gemacht werden können. Diese Diskrepanz muss deshalb auf Applikations-ebene kompensiert werden. Zudem hat die Miniaturisierungskurve der Technologie, die jahrzehntelang für fast automatische Kostensenkung gesorgt hat, einen Wendepunkt erreicht, so dass technische Nachfolge-produkte ähnlicher Komplexität oft teurer werden als ihre Vorgänger.2

Wirtschaftlicher Druck und der Wunsch nach höchster Leistungsfähigkeit drängen Standardprodukte in automobile Standardanwendungen. Konkret bedeutet das, dass viele in Fahrzeugen gewünschte Innovationen für größere Marktsegmente wie Konsumgüter entwickelt werden, um den erforderlichen Aufwand an Forschung und Entwicklung zu rechtfertigen. Im Endergebnis werden Produkte aus unterschiedlichen Märkten vermehrt in Fahrzeuge eingebaut.

1 http://www.zvei.org/Verband/Fachverbaende/Automation/Seiten/default.aspx (Stand 29.12.2015)2 http://www.zvei.org/Publikationen/Positionspapier-Consumer-Semi-Automotive.pdf (Stand: 29.12.2015)

Bisher wird Automobilelektronik überwiegend nach dem Top-Down-Ansatz entwickelt. Dabei definieren die Original Equipment Manufacturer (OEM) ihre Anforderungen und die Partner in der Wertschöpfungskette entwickeln neue Produkte und Services, die diese Vorgaben erfüllen. Somit unterscheiden sich Komponenten, die speziell für die anspruchsvollen Umgebungsbedingungen in der Automobilbranche entwickelt werden, von ähnlichen Anwendungen für andere Märkte. Infolgedessen führen höhere Spannungen, stärkere elektronische Entladungen, höhere Temperaturen, Fehlerkorrektur und höhere Prüfvorgaben zu einer größeren Chipfläche. Die OEMs haben bereits verstanden, dass Kompromisse notwendig sind, wenn die vom Endverbraucher gewünschten Alleinstellungs- und Innovationsmerkmale in Fahrzeugen realisiert werden sollen. Das bedeutet allerdings für alle Partner in der Wertschöpfungskette eine fundamentale Änderung des Entwicklungsprozesses: weg vom Top-Down-Ansatz und hin zu einem Kommunikations- und Kooperationsfluss zwischen allen Beteiligten in einem geschlossenen Kreis.3

Dementsprechend ist es notwendig auch in Zukunft die Verfahren, auf den neusten Stand der Technik für automobil Anwendungen zu bringen und in Bezug auf Qualität, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit anzupassen. Zugleich aber mit dem derzeit verfügbaren Angebotsspektrum von Consumer- bis „klassischen“ Automobilkomponenten zurechtkommen.

White GoodsDie Zukunft intelligenter Hausgeräte liegt im Smart Grid, dem sogenannten intelligenten Stromnetz. Weitere Verbesserungen werden technisch immer anspruchsvoller und damit auch teurer. Verbraucher werden das nur dann honorieren, wenn der höhere Anschaffungspreis durch eingesparte Energiekosten ausgeglichen wird und darüber hinaus keine Abstriche bei anderen Merkmalen wie zum Beispiel Komfort gemacht werden müssen. Energieeffizienz muss deshalb immer mit hohem Bedienkomfort und guter Funktionalität einhergehen. Es gilt also: Energieeffizienz plus Qualität und Energiesparen ohne Verzicht.

Technisch sind die Hersteller bereits so weit, bis zu einer flächendeckenden Anwendung ist allerdings noch einiges zu tun. Zum einen müssen Standards erarbeitet werden, damit die Systemkomponenten unter-schiedlicher Gerätehersteller und Energieversorger miteinander kommunizieren können. Zum anderen ist der Auf- und Ausbau der Infrastruktur, des intelligenten Stromnetzes, notwendig. Das schließt die flächendeckende Ausstattung der Haushalte mit intelligenten Stromzählern ein. Denn auch hier gilt: Nur wenn der Verbraucher einen finanziellen Nutzen hat, wird er in intelligente Gerätetechnik investieren.

Die Trends in der Hochleistungselektronik

Zu den Trends in den Marktsegmenten kommen Entwicklungen, die sich durch die gesamte Branche der Hoch-leistungselektronik ziehen. Zu den wichtigsten gehören „Digital Power“ und die verwandten Themen bereiche „funktionale Sicherheit“ und „Robustness“. Diese haben direkte Auswirkungen auf Betriebs bedingungen, Technik und Herstellungsmethoden.

3 http://www.zvei.org/Publikationen/Positionspapier-Consumer-Semi-Automotive.pdf (Stand: 29.12.2015)4 http://www.zvei.org/Publikationen/ZVEI_LF_Industrie-Services_Download_01.04.15.pdf (Stand: December 29, 2015)

Digital PowerEin „Power Future Trend“ ist „Digital Power“, auch „Intelligent Digital Power“ genannt. Dieses Schlagwort steht in der Elektrotechnik für digital geregelte, gesteuerte oder überwachte Netzteile. Bei herkömmlichen Schaltnetzteilen regelt und überwacht eine Analogschaltung die Ausgangsspannung.

Bei Digital Power-Netzteilen übernimmt ein Mikrocontroller oder DSP eine oder mehrere dieser Funktionen. Der Regelungsprozess ist als Software in den Controller eingebettet. Ein großer Vorteil von digital geregelten Schaltnetzteilen gegenüber analog geregelten Netzteilen ist die Möglichkeit, zu jeder Zeit in den Regelprozess eingreifen zu können und die an die momentanen Anforderungen des Netzteils anzupassen. Hierdurch steigert sich zwar der Wirkungsgrad des digitalen Netzteils im Vergleich zu einem Analogen, jedoch erhöht sich damit auch der technische Entwicklungsaufwand, was sich auch in den Kosten niederschlägt. Digitaltechnik soll die Anforderungen der heute immer komplexer werdenden Stromversorgungssysteme erfüllen. Unterschieden wird bei der digitalen Leistungsversorgung zwischen „Power Control“ (Leistungs-regelung) und „Power Management“ (Leistungsverwaltung). So wird unter dem Begriff „Power-Control“ die Regelungsfunktionen innerhalb einer Stromversorgung selbst verstanden. Dazu zählen die Rückkopplungs-schleife und die internen Funktionen. „Power-Control“ muss in harter Echtzeit arbeiten, genauso wie die Schaltfrequenz der Stromversorgung. Diese Art von Regelung lässt sich sowohl mit analogen als auch mit digitalen Schaltkreisen implementieren.

„Power-Management“ hingegen bezieht sich auf die Kommunikation und/oder Regelung außerhalb einer oder mehrerer Stromversorgungen. Hierzu zählen Funktionen wie Konfiguration, Regelung und Überwachung einzelner Stromversorgungskreise eines Systems sowie die Kommunikation bei der Fehlererkennung. Power-Management-Funktionen müssen nicht in Echtzeit ablaufen, sie arbeiten in einem Zeitrahmen, der deutlich langsamer ist als die Schaltfrequenz. Diese Funktionen vereinen analoge und digitale Techniken, zum Beispiel wird über Widerstände die Ausgangsspannung eingestellt, während das Power-Sequencing (Ablauf-steuerung) Steuerungsanschlüsse zu jeder Versorgung benötigt.

Funktionale Sicherheit und Robustness Innovationen, die das Thema Sicherheit nicht berücksichtigen, können keinen Bestand haben. Deshalb sind eine hohe funktionale Sicherheit und Robustness unerlässlich. So wird zum Beispiel bei einer Robustness Validation die Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten bewertet, indem die konkreten Anforderungen an das Produkt mit der tatsächlichen Lebensdauer verglichen werden, unter Berücksichtigung von Effizienzsteigerung.

Die Grundidee der funktionalen Sicherheit ist die Strategie zur Reduzierung vorhandener Risiken. Ziel ist es, ein sicheres System so zu schaffen, dass alles Sinnvolle zur Vermeidung von Schäden und Gefahren für den Menschen umgesetzt ist. Damit werden die klassischen Sicherheitsmaßnahmen erweitert. Im Automobilbau ist funktionale Sicherheit ein relativ junges Thema. Die Ursprünge kommen aus anderen Industrien wie Anlagenbau, Luftfahrt und Bahnindustrie.

AuswirkungenDiese branchenübergreifenden Trends stehen in direktem Zusammenhang mit Betriebsbedingungen sowie Techniken und Herstellungsverfahren. In anderen Worten: Geänderte Betriebsbedingungen oder andere Techniken und Herstellungsverfahren implizieren auch andere Anforderungen an die verbauten Komponenten. Dies lässt sich am Beispiel Energiespeicher verdeutlichen. Ändern sich die Bedingungen, unter denen eine Batterie betrieben wird oder kommen neue Techniken oder Herstellungsverfahren zum Einsatz, ergeben sich dadurch neue Anforderungen an die Ladestrategie bzw. an das Batteriemanagementsystem. Die Betriebsparameter sind von entscheidender Bedeutung für die Lebensdauer eines Energiespeichers in der Applikation. Während Entwickler oft keinen Einfluss auf die Betriebsbedingungen haben, gibt es im Bereich des Batteriemanagementsystems Optimierungsspielraum, der meist nur unzureichend genutzt wird. So werden Betriebsbedingungen verändert ohne das Batteriemanagement anzupassen. In diesem Zusammenhang sind die häufigsten erfassten elektrischen Ausfälle auf defekte oder entladene Starter-batterien zurückzuführen. Gerade in der Automobilindustrie wurden solche Batterieausfälle bis zum Jahr 2000 überwiegend in Fahrzeugen der Oberklasse festgestellt. Die Hauptursache liegt in der starken Zunahme von Elektronik und elektrischen Verbrauchern in den Fahrzeugen. So entlädt selbst ein abgestelltes Fahrzeug durch die Überwachungs- und Steuerelektronik die Starterbatterie fortwährend. Das geschieht zwar mit niedriger Stromstärke, dem sogenannten Ruhestrom, kann bei langen Standzeiten jedoch zur Tiefentladung des Energiespeichers führen.

Applikationen sind komplex

Das Beispiel eines Frequenzumrichters verdeutlicht die Komplexität einer Applikation.

In einem Frequenzumrichter werden heutzutage eine Menge Bauteile aus dem passiv aber auch aktiv und E-Mech Bereich benötigt.

• Zahlreiche Steckverbindungen und Steckverbinder-Systeme für unterschiedliche Anwendungen wie Signal/Daten-Übertragung sind notwendig. Dabei wird die Übertragung unterschiedlicher Spannungen und Ströme, also verschiedener Leistungsklassen, immer wichtiger.

• Berücksichtigt werden muss die Temperaturbeständigkeit der Kontaktierung sowie der niedrige Kontaktierungswiderstand jeder Steckverbindung.

• Die Effizienz eines Frequenzumrichters hängt von der Auswahl der Halbleiter-Bausteine ab. So ist es sehr wichtig, dass im Spannungswandler-Bereich – der Bereich, in dem Spannungen gewandelt werden, um z.B. die Controller Unit zu versorgen – Bausteine verwendet werden, die einen hohen Wirkungsgrad gemäß Pab/Pzu haben. Dies kann zum einen diskret oder durch Module mit sogenannten High-Efficiency-Eigenschaften realisiert werden.

• Das Produkt muss gegen Netzschwankungen und/oder Spannungsspitzen geschützt werden. Das lässt sich mit Schutzbeschaltungen wie zum Beispiel ESD Dioden etc. verwirklichen.

• Die Controller Unit, der „Kern des Produktes“, übernimmt heute das gesamte Management. Hierbei kommen unterschiedliche interne und externe Kommunikationssysteme wie CAN oder LIN zum Einsatz. Ebenso werden hier Auswertungen durch Rechenzyklen auf dem µC durchgeführt.

• Messwerte, die durch diverse Sensoren oder Stromwandler etc. als analoges Signal geliefert werden, müssen in binären Code im Controller umgewandelt werden. Diese Umwandlung dient zum einen als Feedback für den User, zum anderen für weitere Rechen- oder Regelzyklen.

• Die Powerstufe ist ein Verbund verschiedenster Bauteile, der eine entscheidende Rolle im Gesamtkonzept hat. Die Power Stufe ist eine komplexe Einheit, die aus diversen Bauteilen wie Shunt-Widerständen, Mosfets oder sogar IGBT Modulen, Dioden und anderen Power-Bausteinen besteht. Es ist hierbei sehr wichtig, Parameter wie zum Beispiel das PCB Design hinsichtlich der Ströme aber auch in Bezug auf EMV oder Thermomanagement optimal auszulegen.

• Passive Kühlung ist immer bevorzugt. Ist das nicht realisierbar, wird der Einsatz von Lüftern notwendig. Hier wiederum spielt die Art der Kühlung eine sehr große Rolle. Es gilt ein optimales Kühlkonzept zu entwickeln.

• Aus dem Kühlkonzept und aus den Dimensionen der Applikation ergibt sich, ob die Kühlung über ein Axial-, Tangential- oder Querstromlüfter erfolgen muss.

• Die Bedienung des Frequenzumrichters ist ebenso wie die Effizienz ein sehr wichtiger Punkt. Die Bedienung elektrischer Geräte bewegt sich zunehmend in Richtung Grafik, d.h. sogenannten Touch- Displays. Hier gilt es wichtige Kriterien zu betrachten, wie zum Beispiel Staub- und Spritz-schutz und die Ablesbarkeit des Displays.

Diese Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, zeigt aber die rasant zunehmende Komplexität einer Applikation, insbesondere die Abhängigkeit einzelner Bauteile voneinander und von Umgebungsparametern. Für Hersteller stellt sich die Frage: Muss dieses Know-How intern aufgebaut werden oder bietet der Markt eine passende Lösung?

Die Antwort – RUTRONIK POWER

RUTRONIK POWER ist viel mehr als ein komplettes Portfolio an Power-Bauteilen für verschiedene Span-nungsklassen und unterschiedliche Einsatzgebiete. RUTRONIK POWER bedeutet darüber hinaus eine Komponenten-Auswahl für verschiedene Applikationen entsprechend der jeweiligen Schaltung.

Das heißt: hinter jeder Position im Blockschaltbild stehen Produkte von mehreren ausgewählten Herstellern in den jeweiligen Produktbereichen. Dabei deckt RUTRONIK eine möglichst breite Palette an Anforderungen ab - sei es low-cost oder high-performance. RUTRONIK bietet zum Beispiel für eine Motor Control Schaltung im Leistungsbereich von 2KW die entsprechend ausgelegten IGBT Module, die Ansteuerung bis hin zu Mikrocontrollern und Treiberbausteinen sowie Kühlkörper und Steckverbinder.

Bei den Leistungshalbleitern deckt RUTRONIK heute alles ab, von diskreten bis zu hoch integrierten Komponenten, den Leistungs-IC´s sowie den Leistungsmodulen. Als Broadliner bietet RUTRONIK zu den Leistungshalbleitern alle weiteren Komponenten an, sowohl aktive als auch elektromechanische und passive Komponenten. Das Spektrum reicht vom einfachen Steckverbinder bis zum Supercap. Damit werden rund 98% der PCB abgedeckt. Das gilt auch für weitere Produktbereiche wie Hochstromverbinder bis zu 1.000A oder Supercaps bis zu 3.400 Farad/Zelle.

RUTRONIK POWER ist jedoch viel mehr als eine breite Auswahl an Bauteilen. Entscheidend ist, dass RUTRONIK relevantes Know-How bündelt, sowohl zu einzelnen Produkten und Technologien als auch zu deren Kompatibilitätsabstimmung. Damit ist umfassender Support garantiert: von der Entwicklung auf Applikationsebene durch fachlich qualifizierte Field Application Engineers (FAEs), über Produktmanager auf Komponentenebene bis hin zur Versorgung am Ende eines mehrjährigen Produktlebenszyklus. FAEs sind für die technische Kundenbetreuung besonders wichtig. Die RUTRONIK Experten beraten und unterstützen den Design-in-Prozess, die Produktevaluierung und Applikationsentwicklung, die gezielte Vermarktung erklärungs-bedürftiger Produktgruppen bis hin zum Erarbeiten von Logistiklösungen durch komplette, optimal auf den Kunden abgestimmte Systemlösungen. RUTRONIK POWER legt den Fokus weniger auf die einzelnen Kompo-nenten als vielmehr auf die Gesamtlösung.

Oberste Priorität für RUTRONIK hat dabei neben der Reduktion der vorherrschenden Angebotskomplexität vor allem Unterstützung schon bei der Produktentwicklung auf Applikationseben durch relevantes technische Know-How und vertikale Systemlösungen auf Basis der passenden Bauteile.

Die Vorteile

RUTRONIK POWER bietet alle Komponenten aus einer Hand, von einzelnen Bauteilen bis hin zur Basis für betriebliche Anwendungen. RUTRONIK POWER tritt jedoch nicht mit eigenen Bauteilen und Applikationen in den Wettbewerb zu den Kunden, denn das umfassende Angebot ist zu kompletten, vertikal integrierten Systemlösungen zusammengefasst. Das Produktportfolio setzt sich aus dezidierten Top-Herstellern in den jeweiligen Bereichen zusammen, mit denen das Unternehmen teilweise schon Jahrzehnte zusammenarbeitet. Dadurch wird von Anfang an ein umfangreicher und konsequenter Wissenstransfer, sowohl zwischen Hersteller und Rutronik als auch der gemeinsame Know-How-Austausch mit den Kunden, etwa über Seminare, Webinare und Fachkongresse, gewährleistet.

Die Bündelung von Know-How und Erfahrung im RUTRONIK POWER-Team garantiert dem Kunden eine umfassende Beratung mit Blick auf die Gesamtapplikation, den Markt und dessen Anforderungen. RUTRONIK-Experten haben ein profundes Verständnis für alle relevanten Faktoren, Spezialisten aus unterschiedlichen Bereichen ergänzen sich (siehe Abbildung 1). So lassen sich teamübergreifend Synergien noch effektiver nutzen. Denn an zahlreichen Punkten überschneiden sich die Marktsegmente – und die Kunden profitieren von ineinandergreifender Beratung. Durch das Verständnis sowohl der Kundenanforderungen als auch der technischen Möglichkeiten und den Marktgegebenheiten entsteht die passgenaue Lösung – nicht von der Stange, sondern individuell und genau auf die Kundenbedürfnisse zugeschnitten.

In Zusammenarbeit mit Kunden und Herstellern entwickelt RUTRONIK zukunftsorientierte Ansätze und leistet somit einen Beitrag zur Forschung und Entwicklung auf Applikationsebene. Deshalb liefert RUTRONIK die Tools für zertifizierte Applikationen, die sich neben außerordentlicher Funktionalität, Qualität und Robustheit auch durch Energieeffizienz auszeichnen. Genau dafür gibt es RUTRONIK POWER.

Das RUTRONIK POWER Team setzt sich aus Spezialisten der Bereiche Aktiv Power Semiconductors, Passiv, Elektromechanik und Embedded zusammen und greift auf das umfassende Produktportfolio des Unternehmens zu.

Abbildung 1: Spezialistenteam „RUTRONIK POWER“

AKTIV •PMA-PowerSemiconductors

•Widerstände

•Induktivitäten

•Kondensatoren

•Stechverbinder&Kabel

•Relais, Batterien, Sicherungen, Schalter, Thermomanagement

•Netzteile

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