Leistungselektronik & Stromversorgung · LEISTUNGSELEKTRONIK// MOTIONCONTROL...

Wissen.Impulse.Kontakte. März 2015

Marktreife Power-Bausteinefür Industrie und Automotive

Technologietrendsin der Leistungs-elektronikKonferenz und Ausstellungder PCIM Europe gewinnenan Bedeutung. Seite 10

WuchtigerWachstumsschubfür SiC-HalbleiterExperten erwarten starkeNachfrage bei mittlerer undhoher Volt-Zahl. Seite 14

Fünf Tipps für einmechanischrobustes DesignLeistungshalbleiter sindDiven und wollen als solchebehandelt werden. Seite 22

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EDITORIAL

ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung März 2015

Neue Simulationsansätze fürLeistungshalbleiter gesucht

In ihremAufbaunutzenLeistungshalb-leiter-Module Materialien mit unter-schiedlichenAusdehnungskoeffizien-

ten.Daraus ergeben sich Zuverlässigkeits-probleme bei Temperaturwechselbela-stungen. Zwar gelingt immerwieder eineVerbesserungdieser Powerzyklen-Festig-keit, doch die Fortschritte reichen nicht,um den wachsenden Anforderungen,etwadurchdie Elektromobilität, standzu-halten.Mit runddreiMillionenEuro fördert das

BMBFüber drei Jahre hinwegdie Erarbei-tung praktikabler Lösungen. Ziel desaktuellen BMBF-ForschungsprojektesInTeLekt (Integrierte Prüf- undTestumge-bung für Leistungselektroniken) ist es, dieGefährdungdurchTemperatur- undLast-wechsel bereits im Design der Halbleiterauszuschließen. Gesucht wird eine neu-artige Simulationsumgebung zur besse-ren und schnelleren Beurteilung von Zu-verlässigkeit und Lebensdauer.Start des Projekteswar 2014. Eine erste

Erfolgsmeldungkommt vomForschungs-partner Berner &Mattner: Der Ingenieur-Dienstleister entwickelte im ersten Pro-jektschritt eine allgemeingültige Simula-tionsumgebung des Traktionsnetzes undElektromotors. Die gewonnenen Simula-

„Die Berücksichtigungvon Ausfallmechanismenbereits im Design solldie Zuverlässigkeit undLebensdauer erhöhen.“

Gerd Kucera, [email protected]

tionsansätze fließen in eine verbesserteFehleranalyse für die gesamte Steuerge-räteumgebungder elektrischenMaschinemit ein. Aufgrund dieser Erkenntnisselassen sich laut Berner &Mattner Funkti-onskomponenten analysieren und Feh-lerkombinationen sowie deren Auswir-kungen auf das Gesamtsystem einfacherund vor allem frühzeitig ableiten.Doch solange noch kein einsatzreifer

Lösungsansatz gefunden ist, sind diePraxis-ErfahrungenderBauteileherstellerbeim Einsatz der Leistungshalbleiter einwichtiger Ratgeber. LesenSie dazuabSei-te 22: „Fünf Tipps für ein robustesmecha-nischesDesign“. ImArtikel „NeueAVT fürdie Leistungselektronik“ (ab Seite 30)befasst sichHeraeusmit der ProblematikZuverlässigkeit und skizziert seine Über-legungen für eine verbesserte Aufbau-und Verbindungstechnik.

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4 ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung März 2015

SCHWERPUNKTE6 Weiterverwertung von Lithium-Ionen-Batterien

Ein Projekt dreier Partner fügt ausgediente Lithium-Ionen-Batterien der Elektromobilität zu einem großen Speicherzusammen, der das Stromversorgungsnetz puffern soll.

10 Trends auf dem Gebiet der LeistungselektronikDie Bedeutung der Konferenz zur PCIM Europe (19.-21.5.)nimmt zu und es zeigt sich, dass die Anforderungen an dieZuverlässigkeit der Leistungshalbleiter eine sehr starkeRolle auf der PCIM spielen werden.

14 Wachstumsschub in der SiC-LeistungselektronikDas Optimierungspotenzial bei Silizium ist ausgereift. Des-halb gehen die Experten bei Cree davon aus, dass Silizium-karbid stark zulegen wird. Vor allem in Anwendungen mitmittleren und hohen Volt-Zahlen.

LeistungshalbleiterTITELTHEMA

19 Power-Bausteine für Industrie und AutomotiveNeben SiC-Power-Modulen für hohe Spannungen undStröme sowie SiC-MOSFETs der dritte Generation mitTrench-Gate liefert ROHM auch neue Power-Chips fürIndustrie und Automotive.

22 Fünf Tipps für ein robustes mechanisches DesignZerschossen, zerschraubt, zerrissen, kaputtgeschüttelt,überdehnt: Leistungshalbleiter sind Diven und wollen auchso behandelt werden. Was grundsätzlich zu beachten ist.

26 SiC-MOSFETs sind der neue IndustriestandardMit den neuen SiC-Leistungs-MOSFET, die hier skizziertwerden, stehen Wide-Bandgap-MOSFET für erste Designsmit 700 bis 1200 V/80 A bzw. 1700 V/5 A zur Verfügung.

30 Robustere Leistungselektronik durch bessere AVTDie Erhöhung der Powerzyklen-Festigkeit ist Ziel vielerArbeiten von Leistungshalbleiter-Experten. Ein wichtigerDreh- und Angelpunkt sind die Materialien in der AVT.

Stromversorgung34 Überstromschutz und optimierte Energieverteilung

Betriebssicherheit und Verfügbarkeit von Maschinen hän-gen stark davon ab, ob das komplexe Zusammenspiel derKomponenten perfekt funktioniert.

38 Beste Effizienz auch beim Thermal ManagementWenngleich Wirkungsgrade moderner Stromversorgungensteigen, muss trotzdem die noch verbleibende Verlustwär-me bestmöglich abgeführt werden.

40 Evaluation Boards für die GaN-TechnologieEine Totem-Pole-Schaltung mit integrierter PFC, einReferenznetzteil und das PV-Demoboard nutzen EZ-GaN-HEMTs, um die Performance-Vorteile von GaN aufzuzeigen.

RUBRIKEN3 Editorial

37 Impressum

INHALT

LEISTUNGSELEKTRONIK

MarktreifePower-Chips für Industrieund AutomotiveNeben SiC-Power-Modulen für hohe Spannungenund Ströme sowie SiC-MOSFETs der dritte Generati-on mit Trench-Gate liefert ROHM auch neue Power-Chips für Industrie und Automotive.

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STROMVERSORGUNG // BATTERIEN


Weiterverwertung ausrangierterLithium-Ionen-Batterien

Ein Projekt dreier Partner fügt ausgediente Lithium-Ionen-Batterien derElektromobilität zu einem großen Speicher zusammen, der das

Stromversorgungsnetz puffern soll.

Elektromobilität und Stromspeichersind zwei Kernelemente der Energie-wende. Ein Projekt von Bosch, der

BMWGroupundVattenfall treibt beide Tech-nologiefelder gemeinsamvoran:GebrauchteBatterien aus Elektrofahrzeugen werden inHamburg zu einem großen Stromspeicherzusammengeschaltet. Dessen Energie stehtbinnen Sekunden zur Verfügung und kanndabei helfen, das Stromnetz stabil zuhalten.BMW, Bosch und Vattenfall sind von die-

sem Konzept überzeugt und haben deshalbdie Allianz „Second Life Batteries“ gebildet.BMW liefert dafür Batterien aus seinenElek-trofahrzeugen ActiveE und i3. Vattenfall be-treibt dengroßenSpeicher für zehn Jahre aufseinem Gelände. Bosch integriert die Batte-

rien und übernimmt die Systemsteuerung.Der Speicher wird Teil eines bereits existie-rendenvirtuellenKraftwerks vonVattenfall.Darin werden verschiedene kleine und de-zentrale Stromerzeuger zusammengefasst,nach außenaber als gemeinsamesKraftwerkvermarktet.

Die Batterien sindauch weiterhin wertvollAuchamEnde ihres Lebenszyklus imElek-

trofahrzeug haben Lithium-Ionen-Akkusnoch immer eine hohe Speicherkapazität.Damit sind sie weiter sehr wertvoll und las-sen sich als stationäre Pufferspeicher nochüber viele Jahre äußerst effizient nutzen.Diedrei Partner sammeln in dem Projekt zahl-

Ein zweites Lebenfür Elektrofahrzeug-Batterien: Nach ihremEinsatz in Elektroautoswerden LiIon-Batterienfür stationäre Anwen-dungen wiederver-wendet.

Bild:B

osch reiche neue Erkenntnisse über mögliche

Einsatzgebiete für solcheBatterien, zuderenAlterungsverhaltenund ihrer Speicherkapa-zität. Der Steuerungsalgorithmus vonBoschsoll unter anderem fürmaximale Lebensdau-er und Leistung sorgen.Erfahrungen damit gibt es bereits: In Bra-

derup, nahe Sylt, hat das Unternehmen be-reits einen der größten Stromspeicher Euro-pas gebaut, um bei Bedarf die Energie einesWindparks zwischenspeichern zu können.Dafür wurden tausende kleine Lithium-Io-nen-Akkus zu einem großen Verbund kom-biniert. In Kelsterbach bei Frankfurt hatBosch nach ähnlichem Muster einen Lithi-um-Ionen-Speicher für eine Wohnsiedlunginstalliert. Dieses Wissen kommt auch bei„Second Life Batteries“ zum Einsatz.Bosch-Chef Dr. Volkmar Denner, der auf

die Zukunft des elektrischen Antriebs setzt,konstatiert: „Wir sehen in der Elektromobi-lität einen künftigenMassenmarkt,mit demviele neue Geschäftsmodelle und Lösungeneinhergehen. Dazu gehören stationäreStromspeicher, in denen sich gebrauchteBatterien sehr gut weiterverwenden lassen.Mit solchenSpeichern leistenwir einenwich-tigenBeitrag zur sicherenStromversorgung.“Zurzeit wird in Hamburg ein Speicher miteiner Leistung von 2MWundeiner installier-tenKapazität von 2MWhgeplant undgebaut.Die Energie soll im Regelenergiemarkt ein-gesetztwerdenundkurzfristige Schwankun-gen imStromnetz ausgleichen.Dafürwerdenmehr als 100Fahrzeug-Batterien zusammen-geschaltet. Rechnerisch ist die Leistunggroßgenug, um30Vier-Personen-Haushalte eineWochemit Strom zu versorgen. // KU

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LEISTUNGSELEKTRONIK //MOTION CONTROL

Univ.-Prof. Dr. Manfred Schrödl (TU Wien): „Elektromotoren, die ohne fehleran-fällige Sensorik auskommen, werden an der TU Wien entwickelt.“

NormalerweisemessenSensorendie Position des Magneten, ge-bendieDaten andie Steuerungs-elektronik weiter, die dann dieElektromagnete kontrolliert.„Solche Sensoren bringen aberimmer wieder dieselben Proble-me mit sich“, erklärt Prof.Manfred Schrödl, „die Sensor-technik verursachtKosten, benö-tigt Platz und ist immer beson-ders ausfallkritisch.“ DünneDrähte und feine Lötstellen beiden Sensoren gehen leicht ka-putt und sind für viele Motoren-ausfälle verantwortlich. DasSynchronmaschinen-System,das an der TU Wien entwickeltwurde, geht einen ganz anderenWeg: „Wir verwenden die Kabel,die der Motor ohnehin schonnutzt“, konstatiert Prof. Schrödl,„die Stromzufuhr zum Elektro-magneten. Kurze elektrischeTestimpulse werden durch dieLeitungengeschickt undausderelektrischen Reaktion die aktu-elle Stellung des Rotors abgelei-tet. Die elektrischen Pulse, diedafür nötig sind, dauern nur ei-nige Millionstelsekunden. Eineklug angelegte Elektronik stelltsich auf dieDrehzahl desMotorsein und steuert die Elektromag-nete. Bei niedriger Drehzahl,beim Hochfahren des Motors,muss die genaue Position sehr

PRAXISFORUM ELEKTRISCHE ANTRIEBSTECHNIK 2015

Effizienter, leiser, sensorlos: TU Wien verbessert Elektromotoren

oft gemessen werden. Läuft derMotor auf vollen Touren, ist eseinfacher, genug Informationüber die Bewegung zu erhalten.“Die neue Technik wird nun

bereitsmit großemErfolg in ver-schiedenen Industrie- undMedi-zinapplikationen eingesetzt.LaufendwerdenweitereAnwen-dungsgebiete für die sensorloseAntriebstechnik erschlossen,wobei die TU Wien im Entwick-lungsprozess gerne die Anwen-der unterstützt. Nach wie vorwird die Technologie an der TUWien weiterentwickelt. So ge-lang es nun, die Motoren deut-

Bild:TUWien/Wilke

lich leiser zu machen. Sendetman nämlich elektrische PulseindenMotor, kanndas zuhörba-ren Schwingungen führen. Nunwurdendiese Pulse allerdings soangepasst, dass die Schwingun-gennur noch in einemunhörba-ren Frequenzbereich auftreten.„Gerade für geräuschsensibleAnwendungen, etwabei Lüftun-genoder bei Elektroautos, bringtunsere Neuentwicklung großeVorteile“, meint Prof. Schrödl.Mit demThema "Sensorlos ge-

regelte PM-Synchron- undReluk-tanzmaschinen bis Stillstand –Erfahrungen aus der Praxis und

neueste Erkenntnisse"wirdProf.Manfred Schrödl auf demPraxis-forum Elektrische Antriebstech-nik (24.-26. März 2015 im VCCWürzburg) in seiner Keynote am25. März u.a. über das INFORM-Verfahren berichten. Prof.Schrödl beschäftigt sich schonseit den späten 80er-Jahren mitsensorlosenRegelverfahrenundhat unter anderemdas INFORM-Verfahren entwickelt, das denBetrieb der Maschinen bis Still-stand ermöglicht.DiverseAnwendungenausder

Industrie zeigen Möglichkeitenund Grenzen der sensorlosenAntriebstechnik auf, die ein sehrbreites Spektrum abdecken –vom Dentalantrieb mit 20 mNmund40.000U/minbis zumBahn-Traktionsantrieb mit 4000 Nmund 1000U/min reicht die Palet-te der umgesetzten Lösungen.Neue Anforderungen, wie etwavöllige Geräuschfreiheit des An-triebs, erfordern innovative Er-weiterungen der Konzepte. An-hand von geräuschsensiblenAntriebsaufgaben wird gezeigt,dass Antriebe praktisch lautlosbei stationär und dynamischhochwertigemBetrieb imgesam-ten Bereich dargestellt werdenkönnen. Das Konferenzpro-gramm finden Sie unter http://www.pea-kongress.de. // KU

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Der Anwender nutzt die Leis-tungshalbleitern als gekapselteBauelemente. Zumeist werdenheute Module eingesetzt. Hierspielendie thermischenundme-chanischenEigenschaften sowiedie Zuverlässigkeit eine essenti-elle Rolle. Die Bauweise undMöglichkeiten leistungselektro-

FACHLITERATUR

Halbleiter-Leistungsbauelemente (zweite Auflage)nischer Module behandelt Prof.Dr.-Ing. Josef Lutz in seinemFachbuch Halbleiter-Leistungs-bauelemente (Physik, Eigen-schaften, Zuverlässigkeit). Mitden Kapiteln über die Belas-tungsgrenzen und Ausfallursa-chen sowie den durch Bauele-mentehervorgerufenenSchwin-

gungseffekten wird der LeserAusführungen vorfinden, dielaut Autor in anderen Lehrbü-chernnochnicht behandelt sind.Auf rund 380Seitenwidmet sichder Autor einer hochinteressan-ten Themenvielfalt, die von all-gemeinen Grundlagen und Ei-genschaften bis hin zu komple-

xenZuverlässigkeitsbetrachtun-gen reicht. Prof. Dr.-Ing. JosefLutz lehrt an der TU Chemnitzund ist beratendes Mitglied imBoard of Directors der PCIM-Eu-rope-Konferenz. SeinBuch ist beiSpringer Vieweg erchienen.

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Sowohl als gebundene Print-Version als auch als PDF-Down-load gibt es eine neue Versiondes "ApplikationshandbuchLeistungshalbleiter". Die Auto-ren sindDr. ArendtWintrich (SE-MIKRON),Dr.-Ing.UlrichNicolai(SEMIKRON), Dr. techn. WernerTursky (SEMIKRON) und Univ.-Prof. Dr.-Ing. Tobias Reimann(TU Ilmenau). Das Buch wendetsich in erster Linie anAnwenderund fasst Erfahrungen zusam-men, die bisher nur in Einzelauf-sätzen dargelegt wurden. Im In-teresse eines überschaubarenUmfanges werden theoretischeGrundlagen nur kurz umrissen,wo dies zum Verständnis unbe-dingt notwendig erscheint. Zurweiteren Vertiefung stehen heu-te eine Vielzahl exzellenterHochschullehrbücher zurVerfü-gung, vondenen einige imQuel-lenverzeichnis aufgeführt sind.Das Buch befasst sich aus derSicht des Anwenders mit IGBT-Leistungsmodulen,MOSFETundangepassten Dioden sowie mitNetzdioden und -thyristoren inModulen und diskreten Baufor-men. Das 460-seitige Buch gibtHinweise zum Umgang mit Da-tenblättern und Applikationenwie Kühlung, Leistungslayoutoder Schutz. Auch Parallel- undReihenschaltung sowie der Ein-satz von Transistormodulen inTopologien mit weichem Schal-ten werden behandelt.

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LEISTUNGSELEKTRONIK // KONFERENZ DER PCIM EUROPE 2015


Technologietrends auf dem Gebietder LeistungselektronikDie Bedeutung der Konferenz zur PCIM Europe (19.-21.5.) ist stärker

denn je. Es zeigt sich, dass die Zuverlässigkeit der Leistungshalbleiterbranchenübergreifend eine immer stärkere Rolle spielt.

PROF. DR.-ING. JOSEF LUTZ, PROF. DR. UWE SCHEUERMANN *

* Prof. Dr.-Ing. Josef Lutz (TU Chemnitz)... ist beratendes Mitglied im Board of Directors derPCIM Europe.

Noch nie gab es so viele Bewerbungenfür Vorträge bei der PCIM wie 2015;die Anzahl stieg um 15% auf 310.

Auch fachlich und inhaltlich ist das Niveaugestiegen. Der Fachbeirat unter Leitung desBoard of Directors hat daraus ein Programmvon 110 Vorträgen und 160 Postern zusam-mengestellt. ImFolgendenwollenwir einigewichtige Neuerungen aus dem umfangrei-chen, internationalen Konferenzprogrammkurz vorstellen.

Neue Bauelemente für leis-tungselektronische SystemeInfineon zeigt ein neues 1000-A/6,5-kV-

Modulmit Reverse Conducting IGBTs, in demdie Freilaufdiode in den IGBT integriert ist.

ImTransistorbetrieb steht nun zusätzlichdieehemalige Diodenfläche zur Verfügung, imDiodenbetrieb die der Transistoren. Durchdie Integration werden bei gleichen Außen-abmessungendesModuls nun 1000Agegen-über denbisherigen 750ANennstromerzielt.Besonders interessant ist die Fähigkeit, die

Diodeneigenschaften über das Gate sehrstark zu beeinflussen. Im Leitbetrieb der Di-ode wird das Gate optimal mit -15 V beauf-schlagt. Damit ist der Elektronenfluss unter-bunden, der p-Emitter-Wirkungsgrad sehrhoch und der Spannungsabfall über demBauelement sehr niedrig, nur noch knappüber 2,5 V. Kurz vor Abschalten der Diodewirdwährend beispielsweise 15 µs ein desa-turation pulse von +15 V gesetzt. Es bildetsich ein Elektronen-Kanal parallel zu denp-dotierten Emittergebieten. Der p-Emitter-wirkungsgradwirddadurch sehr niedrig unddie interne Plasmaverteilung optimal fürAbschalten mit niedriger Rückstromspitze.Nach einer kurzenTotzeitwird der IGBT ein-geschaltet, dieDiode kommutiert. Dies führt

zu niedrigen Abschaltverlusten der Diode(reduziert um40%)undniedrigenEinschalt-verlusten des IGBT (reduziert um 34%). Ineiner so überzeugenden Weise konnten dieVorteile einer feldgesteuertenDiodenochniegezeigt werden.ABBs Reverse Conducting IGBT in Planar-

technik ist schon seit längerer Zeit angekün-digt. Nunwird er auch imPresspack-Gehäu-se angeboten. Das Strom-Rating erhöht sichdurchdie Integration auf 3000A. ImVersuchkonnten drei Module in Reihe 19 kA gegenetwa 9 kV schalten.Fuji bringt mit der siebten Generation für

1200 V einen verbesserten IGBT und eineverbesserte Freilaufdiode auf denMarkt. DieDurchlass-Spannung des IGBT sinkt um 0,3V auf deutlich unter 2 V (150 °C). Da 1200 Vdie Massenanwendung für IGBTs ist, kannderBeitrag zur Energieeffizienz als sehr hocheingeschätzt werden.Cree hat einen 10-kV/20A-MOSFET in der

dritten Generation hergestellt. Er erreichtetwa 100 mΩ•cm2 bei 25 °C. Gegenüber ei-nem6,5-kV-IGBTbetragendie Schaltverlustenur etwa ein Vierzigstel. Man kann diesenMOSFET bei einer Taktfrequenz von 10 kHzeinsetzen; bei einem6,5-kV-IGBTmussmandagegen unter 500 Hz bleiben.SiC-Bauelementewerdenausgereifter und

spielen eine zunehmendeRolle auf der PCIM.Auch GaN als neues Material für Power De-vices entwickelt sich dynamisch. Eine Spe-cial Session mit eingeladenen Vorträgenbeschäftigt sich mit GaN für Automotive-Anwendungen. Eine weitere Session bein-haltet eingereichte Vorträge zu neuen GaN-Devices und Erfahrungen der RealisierungvonStromrichternmit diesen jungenBauele-menten.

Hohe Leistung und niedrigeInduktivität des GehäusesHitachi hat ein niederinduktives IGBT-

Modul für 1700 V/900 A entwickelt. Die in-terne parasitäre Induktivität ist halbiert,

Bild 1: Reverse Conducting Trench IGBT mit integrierter Diode.

Prof. Dr. Uwe Scheuermann (SEMIKRON Elektronik)...ist Mitglied des Board of Directors der PCIMEurope Konferenz.

Bild:Infineon

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sodass bei geschickter ParallelschaltungdieInduktivität des Systems einschließlich Ver-schienung um 61% gesenkt werden kann.Auch Infineon stellt einen Leistungsbau-

stein vor und zeigt, dass imhohenLeistungs-bereich weniger als 60 nH Systeminduktivi-tät möglich ist. Ebenso im Bereich mittlererLeistung gibt es Neuerungen. Infineon hatein auf Mold-Technik basiertes, beidseitigkühlbares kompaktesModul entwickelt, dasspeziell für die Elektromobilität vorgesehenist (Bild 4). Der „Spacer“ ersetzt die BondsamLastanschluss, er bringt zusätzlicheWär-mekapazität an die besonders effektiv wir-kende Stelle auf der Chip-Oberseite.Für die Zuverlässigkeit leistungselektroni-

scher Bauelemente sind die chipnahen Ver-bindungenvonbesonderer Bedeutung. EineMöglichkeit zur Steigerung der Zuverlässig-keit von Aluminium-Drahtbonds wird vonder TUBerlin vorgestellt. AusgehendvonderBeobachtung, dass die Lebensdauer vonDrahtbonds imLastwechseltestmit derDickeabnimmt, werden durch LasertechnikSchnitte in den Bondfuß eingebracht (sieheBild 5). Damitwird einerseits die Lebensdau-er erhöht; andererseits kannbei einer in-situ-Messung während des Lastwechsels im La-bor mit einer Thermokamera der Rissfort-schritt in diesen Spalten besser beobachtetwerden.

Zum Einfluss der Oberflächenmetallisie-rung vonDCB-Substraten auf Eigenschaftender Lötverbindungmit klassischemSnAg3.5-Lotwerden interessante Ergebnisse vom Im-perial College London vorgestellt. Auf Subs-tratenmitNi- oderNi/Au-Oberflächenbildetsich im Lot beim Lötprozess einemetastabi-le NiSn4-Phase, deren langsamer Zerfall dieScherfestigkeit der Lotverbindung deutlichreduziert. Maßnahmen zur Unterdrückungder Ausbildung dieser metastabilen Phasenwerden vorgeschlagen.Semikron stellt Ergebnisse zu Lastwech-

seln vor. Sie konnten den Ausfallmechanis-mus Bonddraht-Lift-off und Lotermüdungseparieren und für jedes ein quantitativesModell bilden.DerBeitrag istwertvoll für dastiefere Verständnis und die weitere Modell-bildung.Auch Mitsubishi beschäftigt sich mit ver-

besserten Bonddrähten und Silber-Sintern,eswird einedeutlichhöhere Lastwechselfes-tigkeit erreicht.Darüber hinaus kommen andere Aspekte

der Zuverlässigkeit kommen zur Sprache.Mitsubishi behandelt in einem Vortrag dasProblem der Stabilität von Modulen gegenFeuchtigkeit. Feuchtigkeit durchdringt beiallen ModulendieGehäuseunddieVerguss-massen. Der Test wird für ein 6,5-kV-Modulbei einer Gleichspannung von 5,2 kV durch-geführt. Durch eineneueVergussmasseundeine verbesserte Passivierung kann eine ho-he Feuchteresistenz erreicht werden.

Neue Erkenntnissezur HöhenstrahlungLeistungsbauelemente können durchHö-

henstrahlung zerstört werden. Die Ausfall-rate hängt von der angelegten Zwischen-kreisspannung ab. UndAnwender sind sehrdaran interessiert, die Zwischenkreisspan-nung so zu wählen, dass die Ausfallrate inder Lebenszeit der Anwendung sehr niedrigist. Allerdings finden sich über genaueWer-tewenigAussagen inder Fachliteratur; viele

Bild 2: Der 10-kV/20-A-MOSFET von Cree

Bild:Cree

Bild 3: Niederinduktives IGBT-Modul mit 1700 V/900 A von Hitachi (links) und niederinduktive Verschienungbei einem baugleichen ABB-Modul (rechts).

Bild:H

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Hersteller geben diese nur an ausgewählteKunden, mit denen sie Vertraulichkeitsver-einbarungen (Non-Disclosure-Agreements)abschließen. Daher ist besonders interes-sant, wenn hier neue quantitative Ergebnis-se gezeigt werden.Erstmalswird für 1200-V-Bauelemente von

STMicroelectronics und der Universität vonCalabrien ein Vergleich von Si-IGBTs undSiC-MOSFETs der Fachwelt vorgestellt. Manerhält beim SiC-MOSFET bei 92% der Sperr-fähigkeit etwa eine vergleichbare Ausfallra-te wie bei einem Si-IGBT, dessen spezifizier-te Sperrspannung zu 75% ausgenutzt wird.Die Grenzspannung, unterhalb derer keineAusfälle im Test beobachtet wurden, lag bei70% für den Si-IGBT und bei 85% beim SiC-MOSFET relativ zur Nennspannung. Bild 6zeigt einen beim Höhenstrahlungstest zer-störten SiC-MOSFET.Somit ist der SiC-MOSFET im Spannungs-

bereich etwa 15% höher ausnutzbar als derSi-IGBT. Gegenüber der früher häufig geäu-ßerten pauschalen Behauptung, SiC sei imGegensatz zu Si höhenstrahlungsfest, habenwir damit erstmals quantitative Ergebnisse,die die pauschale Aussage präzisieren undrelativieren. Doch wird in der gleichen Ses-sion vonSemikrongezeigt, dass es Si-Diodenfür 1200 V gibt, die bei Gleichspannung von100%der spezifiziertenSperrspannungnochhöhenstrahlungsfest sind. Es hängt offenbarvom jeweiligen Design ab. Es bleibt span-nend.

Leistungselektronik kannStromnetze stabilisierenEin weiteres wichtiges Thema der Konfe-

renz ist die Stabilisierung von Stromnetzenbei steigendem Anteil von regenerativenEnergiequellen. Fluktuationendermeteoro-logischen Bedingungen führen zu Schwan-kungen der eingespeisten Leistung speziellbei Photovoltaik- und Windgeneratoren.Diese erfordernEnergiespeicher, die zur Sta-

schwachenNetzendie Stabilisierung sicher-stellenmüssen. Eine eigene Sessionbeschäf-tigt sich mit Hochspannungsgleichstrom-übertragung, darunter ein Vergleich derUmrichter-Topologien sowie eineneueTopo-logie für einen Circuit-Breaker, vorgeschla-gen vomKIT (Karlsruhe).Manhat insgesamtden Eindruck, dass die PCIM-Konferenz anfachlicher Qualität und an internationalerBedeutung zunimmt. Firmen benutzen dieKonferenz, um technische Neuerungen daserste Mal anwendungsbezogen zu diskutie-ren. Es zeigt sich auch die Tendenz, dass dieAnforderungender Zuverlässigkeit eine sehrstarke Rolle auf der PCIM spielen. Es findenviele Erstveröffentlichungen statt und derNeuheitsgrad der Vorträge ist hoch. // KU

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Bild 5: Aufnahme eines Standard-Bondfußes (oben)und eines mittels Lasertechnik mit Spalten versehe-nen Bondfußes (unten).

Bild:TUBe

rlin

Bild 6: Im Cosmic-Ray-Test zerstörter SiC-MOSFET.

Bild:STMicroelectro

nics

bilisierung überWechselrichter an das Netzgekoppelt werden.Die FirmaSankenElectric stellt zusammen

mit der Nagaoka University of Technology(Japan) zudiesemZweck ein Schwungrad alsEnergiespeicher vor, der über einen Matrix-umrichter andasNetz gekoppelt ist und sichdurch eine hohe Lebensdauer und einen gu-tenWirkungsgrad auszeichnet. Weitere Bei-träge der Universität Parana (Brasilien) undder Tel Aviv University (Israel) beschäftigensichmit der Steuerung vonWechselrichtern,die auch bei transienten Störungen und

Aussteller treffenihre ZielgruppenDie PCIM Europe ist die internationalführende Messe für Leistungselekt-ronik, intelligente Antriebstechnik,Erneuerbare Energien und Energie-management. Vom 19. bis 21.05.2015treffen sich die branchenrelevantenAnbieter aus aller Welt auf dem Mes-segelände in Nürnberg und informie-ren über die neuesten Entwicklungen,Trends sowie aktuelle Problemlösun-gen. An drei Messetagen nutztenrund 8000 internationale Fachbe-sucher die Gelegenheit, sich überLeistungselektronik zu informieren.Dank der Vielzahl an Ausstellern undder Breite an Themen konnten imvergangenen Jahr 95% der Besucherdie Ziele ihres Messebesuches abso-lut oder zum größten Teil erreichen.Eine generelle Marktorientierung zuerhalten, Produktneuheiten aufzu-spüren und bestehende Geschäfts-beziehungen zu pflegen waren dabeidie Hauptgründe für den Besuch. Diedeutliche Fokussierung der Veran-staltung spiegelt sich in der hohenZufriedenheit der Aussteller mit derQualität der Fachbesucher wider:80% bewerteten 2014 diese als sehrgut bis gut. Darüber hinaus schätzten90% der Aussteller die Zahl der fort-setzbaren Kontakte ebenfalls als sehrgut bis gut ein.

Bild 4: Beidseitig kühlbares Modul in Mold-Technik.

Bild:Infineon

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Präzise Messwandler kommenimmer dann zum Einsatz, wennhohe Ströme sehr genau erfasstwerden müssen. Ströme bis zu2000 A in einem Frequenzbe-reich von DC bis zu 100 kHz las-sen sich mit hoher Genauigkeitmit dem Nullfluss-MesswandlerDS2000 von Danisense messen.DasNullfluss-Prinzip basiert da-rauf, dass der durch denPrimär-strom erzeugte Magnetflussdurch einen Sekundärstrom

NULLFLUSS-MESSWANDLER

Hochgenaue Leistungsmessungenkompensiertwird, der exakt pro-portional zum Primärstrom ist.Der DS2000 wandelt die Strömein einemTeilungsverhältnis von1:1.500.Dermessbereichsabhän-gige Fehler beträgt bei Frequen-zen bis zu 500 Hz maximal 0,01%. Der Stromwandler ist in ei-nem robustenAluminiumgehäu-se untergebracht und kann imTemperaturbereich von -40 °Cbis +85 °C eingesetztwerden.Umdie hochpräzisen Messwandleroptimal zubetreiben, bietetHer-steller Danisense mit dem DS-SIU-4 eine passende InterfaceUnit an, an die sich bis zu vierStromwandler einfach anschlie-ßen lassen.Über die abgeschirm-ten Messleitungen wird derMesswandlermit Stromversorgt.

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Diese dimmbaren Konstant-strom-LED-Treiber eignen sichaufgrund ihrer hohenAusgangs-spannungen zumVersorgen lan-ger LED-Ketten. Die RACD100A-Serie liefert konstanteAusgangs-strömevon 1400oder 700mAbeiSpannungenvon 50bis 142V.DerRACD150A liefert konstanteAus-gangsströmevon 1400, 1050oder700mA, jedochbei Spannungenvon 60bis 210V. Beide LED-Trei-ber unterstützen gängigeDimm-

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Dimmbar und für hohe SpannungVerfahren wie PWM oder 1-10-V-Signale und sind dank wasser-dichtem IP67-Gehäuse sowohlfür den Einsatz in Innenräumenals auch im Freien geeignet.Durch ihren weiten Eingangs-spannungsbereich von 90 bis305 VAC können die Treiber welt-weit eingesetzt werden, sowohlim 115-VAC-, 230-VAC- als auch indem amerikanischen 277-VAC-Netz. Die Treiber arbeiten beiVolllastmit einemWirkungsgradvonmehr als 93%, bietenniedri-ge THD-Werte (15%) und auf-grund der aktiven PFC einenPower-Faktor vonmehr als 0,98.Die Bausteine sind vollständiggeschützt gegen Kurzschluss,Überlast undÜbertemperaturbe-dingungen.

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LEISTUNGSELEKTRONIK // SIC-HALBLEITER


Wuchtiger Wachstumsschubin der SiC-Leistungselektronik

Das Optimierungspotenzial bei Silizium ist ausgereift. Deshalb gehendie Experten bei Cree davon aus, dass Siliziumkarbid stark zulegen

wird – vor allem in Anwendungen mit mittleren und hohen Volt-Zahlen.

Herkömmliche IGBTs verlieren seit ei-niger Zeit an Boden und werden zu-nehmend durch Komponenten auf

Basis von Siliziumkarbid (SiC) ersetzt. DerBedarf steigt insbesondere bei der industri-ellen StromversorgungundLadegeräten, dadasMaterialwesentlicheVorteile bietet: bes-sere System-Performance durch höhereNennleistungbei geringererVerlustleistung.Experten erwartendaher für 2015 einendeut-lichen Anstieg der Nachfrage bei SiC-MOS-FETs und entsprechenden Power-Modulen.Der US-amerikanische SiC-Spezialist Cree

verzeichnete bereits 2014 eine stark wach-sende Nachfrage nach Produkten auf Basisvon Siliziumkarbid. „2015wird dieser Trendweiter anhalten; wir erwarten sogar ein au-ßergewöhnlich erfolgreiches Jahr imBereich

Power-Produkte“, bestätigt Dieter Liesabe-ths, Director Power Sales bei Cree. Glaubtman den Analysten von Yole Développe-ment, einem renommierten französischenMarktforschungsinstitut, wird sich der Be-darf an SiC-Leistungshalbleitern im mittle-ren und Hochvolt-Bereich (1,2 bis 1,7 kV) bis2020 global sogar verdoppeln. „In diesemMarktsegment ist Cree besonders gut aufge-stellt“, erläutert Liesabeths, „so haben wirim Oktober 2014 das weltweit erste 1,7-kV-Power-Modul in reiner Siliziumkarbid-Tech-nik vorgestellt. Damit ist esmöglich, Kostenund Größe in Hochleistungsantrieben undnetzgekoppeltenWechselrichtern extremzureduzieren.“Zu den Haupteinsatzgebieten von SiC-Po-

wer-Modulen zählen Photovoltaikanlagen.

Obwohl dieser Bereich in Deutschland eineschwierige Phase durchlebt hat, sieht CreedieMarktentwicklungdurchauspositiv. „DieNachfrage nach SiC-Komponenten wird indiesem Bereich weiter steigen, denn dieBranche installiertmehrModulwechselrich-ter und größere Anlagen. Der Trend nimmtweiter an Fahrt auf, nicht zuletzt aufgrundder zunehmenden Bedeutung der erneuer-barenEnergien in anderenLändern“, soDie-ter Liesabeths, „wir gehen zudemdavonaus,dass 2015 die Nachfrage nach SiC-Power-ModulenundentsprechendenSiC-MOSFETsauch in anderenSpartendeutlich steigt, etwabei industriellen Stromversorgungen undLadegeräten.“Für anspruchsvolleAnwendungsbereiche

hat Cree seine Familie SiC-basierter 1,2-kV-

Bilder:Cree

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ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung März 2015 15


Six-Pack-Power-Moduleerweitert. Seit Ok-tober 2014 stehtbeispielsweiseein neues 20-A-Modul auf Basis derC2M-SiC-MOSFET-Technologie und der Z-Rec-SiC-Schottky-Dioden- technikvon Cree zur Verfügung. Damit können Ent-wickler von Wechselrichtern die Nennleis-tungumetwa40%erhöhenunddieVerlust-leistung halbieren. Diese Vorteile sprechenfür sich, sodassman davon ausgehen kann,dass SiC-MOSFETs imkommenden Jahr ihrenSilizium-basierten Konkurrenten weiterMarktanteile abnehmen werden. Eine ähn-liche Entwicklung erwartet Cree auch beiSilizium-IGBTs: Halbbrückenmodule wieetwa das 1,7-kV-Power-Modul treten an dieStelle von Silizium-IGBT-Versionen mitNennströmen von 400 A undmehr.

Silizium-MOSFETs bleibender größte RivaleEine Herausforderung, mit der Hersteller

von SiC-Power-Komponenten bereits in denvergangenen Jahren konfrontiert waren,bleibt auch 2015 bestehen:Die Systemkostenmüssen weiter gesenkt und die System-Per-formance gleichzeitig erhöht werden. Dieinnovativen Lösungen wie etwa von Creesind hier branchenweit richtungsweisend.Sie tragen dazu bei, die Aufwendungen aufder Systemebene zu senkenund zahlen sichdaher schneller für den Nutzer aus. Mit derwachsenden Zahl von Unternehmen, dieSiliziumkarbid-Leistungshalbleiter und ent-sprechendeModuleherstellen, erwartet Creefür das Jahr 2015 einenochhöhereAkzeptanzder SiC-MOSFETsundDioden,weil demKun-

den damit nun auch mehrere Sources zurVerfügung stehen. „Der größte Rivale fürPower-Produkte aus Siliziumkarbid sindundbleiben IGBTs & MOSFETs auf Silizium-Ba-sis“, resümiert Dieter Liesabeths, „da jedochdasOptimierungspotenzial bei Siliziumaus-gereift ist, gehen wir davon aus, dass SiCerheblich zulegenwird, vor allem inAnwen-dungen mit mittleren und hohen Volt-Zah-len; das Spektrum reicht vonUSV-Systemenüber die elektrische Antriebstechnik bis zuKomponenten für die EnergieerzeugungundVerteilanlagen.“Was den Mitgründer von Cree, John Pal-

mour begeistert, sinddieAnwendungen, diebisher noch kaum jemand in Betracht gezo-gen hat: „Siliziumkarbid hat inhärente Vor-teile für Hochspannungsanwendungen, indenen herkömmliche Anwendungen nichtals wettbewerbsfähige Alternativen angese-hen werden. Ich gehe fest davon aus, dassHochspannungsanwendungen eine ganzeReihe neuer Möglichkeiten eröffnen.“ // KUMehr zum Thema im Online-Beitrag

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Bild 2: Dieter Liesabeths erwartet im laufendenJahr eine deutliche Nachfragesteigerung nach SiC-Power-Modulen und SiC-MOSFETs.

Bild 3: „Wir fangen gerade erst an, zu entdecken,was mit Siliziumkarbid alles möglich ist“, sagt SiC-Pionier und Mitgründer von Cree John Palmour.

Bild 4: Der industrieweiterste komplett aufSiliziumkarbid(SiC) basieren-de dreiphasigePower-Baustein

für 1,2 kV und 50 A alsSiC-Sixpack-Power-Modul CCS050M-

12CM2 von Cree. Beim Einsatz in beispielsweiseStromwandlersystemen hat er im Vergleich zuSilizium-Modulen bis zu 75% geringere Leistungs-verluste.

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1,3 Millionen Euro für die Siliziumkarbid-ForschungDen Wirkungsgrad der Stromversorgungin industriellen Prozessen zu erhöhenund dadurch Energie und CO2 einzuspa-ren, ist Ziel des neuen Verbundprojekts„Modulare Mittelfrequenz-Prozessstrom-versorgung mit Siliziumkarbid-Leistungs-halbleiterschaltern“, kurz MMPSiC: For-scher am Lichttechnischen Institut (LTI)des Karlsruher Instituts für Technologie(KIT) untersuchen gemeinsam mit denIndustriepartnern TRUMPF Hüttinger undIXYS Semiconductor den Einsatz von Leis-tungshalbleiterschaltern aus Siliziumkar-bid. Das Bundesforschungsministeriumfördert das Projekt mit insgesamt 1,3 Mil-lionen €. Von der Halbleiterfertigung überdie Beschichtung von Displays bis hin zuProzessen im Automobilbau verbrauchenviele industrielle Verfahren große Men-gen elektrischer Energie. Darunter sindauch Technologien, die eine wichtige Rol-le für die Energiewende spielen, wie dasZonenschmelzverfahren (Float-Zone-Ver-fahren) zum Herstellen von hochreinenkristallinen Werkstoffen: Die Substanzwird in einer schmalen Zone elektrischgeschmolzen; die Schmelzzone wirdnach und nach weitergeführt. Hinter derSchmelzzone kristallisiert die Substanzreiner als zuvor. Das Zonenschmelzver-fahren liefert unter anderem hochreineSilizium-Einkristalle für die Herstellungvon Solarzellen.Zur Stromversorgung von Zonenschmelz-anlagen werden bis jetzt auf Röhrentech-

nologie basierende Systeme eingesetzt,die einen elektrischen Wirkungsgrad vonmaximal 65% aufweisen. Durch eine Um-stellung auf Leistungshalbleiter aus Sili-ziumkarbid ließe sich der Wirkungsgradder Prozessstromversorgungen auf über80% steigern. Dies würde große Mengenan elektrischer Energie einsparen undTreibhausgasemissionen reduzieren.Zum Beispiel würde sich für eine einzigeFloat-Zone-Großanlage, bestehend aus20 einzelnen 150-kW-Prozessstromver-sorgungen, bei einer jährlichen Laufzeitvon 4800 Stunden eine Einsparung vonmehr als 200.000 kWh elektrischer Ener-

gie und damit 109 Tonnen CO2 ergeben.Die Realisierbarkeit solcher Prozess-stromversorgungen untersuchen die For-scher am Lichttechnischen Institut desKIT gemeinsam mit den Partnern TRUMPFHüttinger GmbH + Co. KG in Freiburg undIXYS Semiconductor GmbH in Lampert-heim im Verbundprojekt MMPSiC. AlsHalbleitermaterial bietet Siliziumkarbidverschiedene Vorteile: Aufgrund der grö-ßeren elektronischen Bandlücke ermög-licht es beispielsweise deutlich höhereBetriebstemperaturen als konventionelleHalbleiter in Silizium. Leistungselektro-nik, basierend auf Siliziumkarbid-Halb-leitermaterial, zeichnet sich schließlichbesonders durch höhere Energieeffizienzund Kompaktheit aus.Bei der Stromversorgung von energiein-tensiven industriellen Anwendungen wiedem Zonenschmelzverfahren ist es erfor-derlich, mit hohen Frequenzen oberhalbvon 2 MHz zu schalten. Siliziumkarbidist aber für diese erforderlichen hohenFrequenzen noch nicht erprobt; man be-tritt damit Neuland. Neben der Prüfungder Langzeitbeständigkeit gehören auchgrundlegende Arbeiten im Bereich derLeistungshalbleiter-Modulentwicklung,sowie Untersuchungen von Schaltungs-und Steuerungstechnologien zu den Auf-gaben der KIT-Forscher imVerbundprojektMMPSiC. Das Verbundprojekt startete imvergangenen Jahr und ist auf drei Jahreangelegt.

Dr. Rainer Kling, Leiter der Abteilung Licht-, EVG-und Plasmatechnologien am LichttechnischenInstitut des Karlsruher Instituts für Technologie(KIT): „Grundlagenforschungsprojekte wie diesesermöglichen nachhaltige technische Innovatio-nen für unsere Wirtschaft und damit auch für dieGesellschaft.“

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Gehäuselose 50-V-Versionen mit 320 W Leistungbeiden ersten im vergangenenSeptember eingeführt wurden.Es handelt sichdabei umdie ein-zigen gehäuselosen 50-V-GaN-HEMT-Chips, die laut Cree aufdemallgemeinenMarkt angebo-tenwerden.Die Chips in0,4-µm-Technologie bietet den Desig-nern vonHybridverstärkernüber

einen großen Bereich von Mo-mentanfrequenzenhinwegmehrVerstärkung, Effizienz und Leis-tungsdichte. Sie stellt damit eineAlternative zu Silizium- (Si) undGalliumarsenid-Technologien(GaAs)dar.WeiterePerformance-Vorteile sind die höhere Durch-bruchspannung, Wärmeleitfä-

higkeit und gesättigte Elektro-nen-Driftgeschwindigkeit. Dieneuen 50-V-GaN-HEMT-Chipsmit Leistungen von 20 W, 40 W,75Wund 170Wbieten bei 6 GHzeine typische Kleinsignal-Ver-stärkung von 17 dB.

Cree

Das neue Referenz-Design vonPower Integrations für LED-Stra-ßenlampen-, Hallenbeleuch-tungs- und andere Hochleis-tungs-LED-Anwendungen mitder Bezeichnung RDR-382 be-schreibt eine 150-W-Konstant-stromversorgung für Eingangs-spannungen von 90 bis 265 VACmit einer Nenn-Ausgangsspan-nung von 43 V, basierend aufPFC-Controller-ICs der FamilieHiperPFS-2 und integriertenLLC-Leistungsstufen-ICs der FamilieHiperLCS von Power Integra-tions. Herkömmliche, zweistufi-ge Treiber mit separaten PFC-undLLC-Stufen liefern eine kon-stante Ausgangsspannung (CV)und benötigen zu deren Um-wandlung in einen Konstant-strom (CC) mehrere DC/DC-Wandler. Im Gegensatz dazuverwendet das Referenz-DesignRDR-382 ein neuartiges Regel-kreis- und Steuerungskonzept,das denVorteil hat, dass die LLC-Stufe direkt an ihrem AusgangeinenKonstantstrom liefert. Da-durch verringert sich die Anzahlder benötigtenBauteile umetwaeinDrittel; außerdemerhöht sichder Wirkungsgrad auf >93%;durchWegfall derDC/DC-Wand-ler-Stufe verringert sich derPlatzbedarf signifikant. Dankderhohen LLC-Schaltfrequenz von250 kHz (Nennwert) können au-ßerdem kleinere Induktivitätenverwendet werden.

Power Integrations

REFERENZ-DESIGN FÜR LED

ReduziertBauteileanzahl

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ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik &Stromversorgung März 2015

LEISTUNGSELEKTRONIK // BAUSTEINE & MODULE

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TITELSTORYSi-Halbleiter mit höherer Durchbruch-spannung haben einen erheblichgrößeren On-Widerstand pro Flächen-einheit. Dieser steigt mit der 2,0- bis2,5-fachen Potenz der Durchbruch-spannung an. Daher kommen ab600 V vorwiegend IGBTs zum Einsatz.Ihr On-Widerstand ist geringer, weilMinoritätsträger in die Drift-Regioninjiziert werden (Leitfähigkeitsmo-dulation). Beim Abschalten entstehtaber ein Tail-Strom, der erheblicheSchaltverluste erzeugt. SiC-Baustei-ne sind dagegen zum Erzielen einesniedrigen Durchlasswiderstands aufkeine Leitfähigkeitsmodulation an-gewiesen, da ihre Drift-Region einenwesentlich geringeren Widerstandbesitzt als die der Si-Bausteine.


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Raimund Wagner... ist Product Manager bei ROHMSemiconductor, Willich-Münchheide.


Marktreife Power-Bausteinefür Industrie und Automotive

Neben SiC-Power-Modulen für hohe Spannungen und Ströme sowieSiC-MOSFETs der dritte Generation mit Trench-Gate liefert ROHM auch

neue Power-Chips für Industrie und Automotive.

JOCHEN HÜSKENS, RAIMUND WAGNER *

* Jochen Hüskens... ist Product Manager bei ROHMSemiconductor, Willich-Münchheide.

Dieweltweit ersten inGroßserie produ-zierten reinenSiC-Power-Module hat-te ROHM2012 vorgestellt. Jetzt erwei-

tert der Hersteller das bestehende Portfolioder vollständig in SiC gefertigten Power-Module durch die erste Hochstrom-Ausfüh-rung für 1200 V und 300 A. Diese waren bis-her für 1200 V und 120 A (mit MOSFET undSBD) bzw. für 1200 V und 180 A (nur MOS-FET) verfügbar.Das neue H-Brücken-Modul mit der Be-

zeichnung BSM300D12P2E001 enthält denSiC-MOSFET und die SiC-SBD sowie einenNTC-Thermistor in einem Gehäuse mit denMaßen 152 mm x 62,0 mm x 20,8 mm. Im In-teresse einer hohen Zuverlässigkeit kommteine Struktur zur Abschwächung des elekt-rischen Felds zusammen mit einer neuarti-gen Screening-Methode zumEinsatz. Da dieSchaltverluste bei diesenBauteilewesentlichgeringer sind als bei konventionellen IGBT-Modulen, ist der Betriebmit hohenFrequenzmöglich. ZumBeispielweist das neueModulSchaltverluste auf, die um77%geringer sindals bei einer IGBT-Lösung für 1200Vund300A. Es kann als Ersatz für IGBT-Module mithöheremMaximalstrom eingesetzt werden.

SiC-MOSFETs derdritten GenerationDes weiteren wurden neue SiC-MOSFETs

für 1200 und 650 V auf Basis einer Trench-Gate-Struktur auf den Markt gebracht. Im

Unterschied zu konventionellen planarenMOSFETs, deren JFET-Regionen den Ein-schaltwiderstand erhöhen,weisendie neuenMOSFETsüber dengesamtenTemperaturbe-reich nur einenungefähr halb so hohenEin-schaltwiderstandauf,währenddie Stabilitätder Gate-Oxidschicht und der Body-Diodeauf dem Niveau der zweiten SiC-MOSFETs-Generation von ROHM liegt. Das Verhaltender Sperrverzögerung und die Beeinträchti-gung der parasitären Body-Diode wurdendagegen weitgehend eliminiert. Im Prinziptritt beim Schalten keinerlei Stromschweifauf, was für einen schnelleren Betrieb sorgtund die Schaltverluste um 30% senkt. DasErgebnis ist einehöhere Zuverlässigkeit undStromtragfähigkeit bei reduzierter Zellen-

dichte und Mindestleitungsfähigkeit, wäh-rend gleichzeitig ein kompaktes Format bei-behalten wird (TO-247-Gehäuse oder BareDie).Der niedrige Einschaltwiderstandder SiC-

MOSFETsmit Trench-Gate bietet ideale Vor-aussetzungen, um die Leistungsdichte undPerformance vonWechselrichtern zu verbes-sern und eine neue Generation vonUmrich-tersystemen zu realisieren. Dies führt zuminimierten Leistungsverlusten, währendgleichzeitig wertvolle Leiterplattenflächegespart, das Layout vereinfachtwirdunddieMaterialkosten sinken.DieAnwendungen sind facettenreich, bei-

spielsweise Gleichspannungswandler, PV-und Drei-Phasen-Wechselrichter, Power

SiC-MOSFETs der dritten Generation: Des Weiteren wurden neue SiC-MOSFETs für 1200 und 650 V auf Basiseiner Trench-Gate-Struktur auf den Markt gebracht.

Bilder:ROHM

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Low-Ir-SBDs: Die niedrigsten Ir-Werte der Industrie erzielt die neue Serie mit-hilfe eines besonderen Metalls, das für Umgebungen mit hohen Temperaturenoptimiert ist.

Conditioner, unterbrechungsfreie Stromver-sorgungen, Wechselrichter für Hybrid- undElektrofahrzeuge,Wechselrichter zurWech-selstromerzeugung, elektrischeAntriebeundIndustrieausrüstungen.

Drei Power-Produkte fürAutomotive-AnwendungenVonROHMgibt es auchneue SBDsmit ge-

ringenLeckströmen (IR) und idealer EignungfürAutomotive-AnwendungenundNetzteile.Die Produktserie RBxx8 sorgt auch bei sehrhohen Temperaturen für Energieeffizienzund einen stabilen Betrieb. Die laut ROHMniedrigsten IR-Werte der Industrie erzielt dieSeriemithilfe eines besonderenMetalls, dasfür Umgebungen mit hohen Temperaturenoptimiert ist. Ein thermisches Durchgehenwird damit sogar bei Temperaturen bis 150°C verhindert. Dies sind idealeVoraussetzun-gen für den Automotive-Markt, der nachhoher Zuverlässigkeit und einemhohenWir-kungsgrad verlangt. Außerdem lassen sichdie neuenBauelemente als Ersatz fürGleich-richterdioden einsetzen, um die Vorwärts-spannung VF deutlich zu senken und dieLeistungsaufnahme zu reduzieren, beispiels-weise vonSystemen fürHybrid- undElektro-fahrzeuge.Der bei hohen Temperaturen tendenziell

zunehmende Leckstrom führt zwangsläufigzu einemRückgangdesWirkungsgrads.Wirddem thermischen Durchgehen nicht entge-gengewirkt, kanndie ZerstörungdesBauele-ments drohen. Versuche, den Leckstrom zuverringern, führten nicht selten zu einemAnstieg der Vorwärtsspannung. In Automo-tive- Systemen und Stromversorgungen, diehohen Temperaturen ausgesetzt werden,sind wegen ihrer Beständigkeit gegen ther-mischesDurchgehenhäufigGleichrichterdi-oden und FRDs (Fast Recovery Diodes) im

Einsatz. DadieseBauelemente jedochhäufighohe VF-Werte aufweisen, gestaltet es sichschwierig, den Stromverbrauch auf das fürHybrid- und Elektrofahrzeuge erforderlicheNiveau zu senken. Hieraus resultiert einesteigende Nachfrage nach SBDs mit niedri-gen VF-Werten, die sich für den Betrieb beihohen Temperaturen eignen.

Sehr niedriger IR fürhohe TemperaturenAlsReaktionhierauf setzt ROHM in seinen

SBDsder Serie RBxx8äußerst temperaturbe-ständige Metalle ein, um die branchenweitgeringsten IR-Werte (ca. 100-mal kleiner alsbei konventionellen SBDs) unddeutlich ver-besserteVF-Eigenschaften (40%geringer alsbei FRDs) zu erzielen. Die so erreichte redu-zierte Wärmeentwicklung erlaubt den Ein-satz kleinerer Bauteile; einwichtigerAspektfür Fahrzeuge mit Elektro- oder Hybridan-trieb, die nach immer stärkererMiniaturisie-rung verlangen. Der IR-Wert ist 100-mal klei-ner als bei konventionellen Schottky-Barrier-Dioden und ermöglicht einen stabilen Be-trieb bei hohen Temperaturen. Ein Testbelegt die erheblich geringeren VF- und IR-Werte der neuen SBDs mit Nennwerten von60Vund 1 A imVergleich zu einer konventi-onellen SBDmit gleichenEckdatenbei Tem-peraturenbis +150 °C.Die neue 60V/3A-SBDmit besonders niedrigem IR verhindert einthermisches Durchgehen selbst bei Tempe-raturen bis +150 °C. Bei konventionellenSBDs für 60 V und 3 A setzte das thermischeDurchgehen dagegen bereits bei unter+100 °C ein.Die skizzierten SBDsmit sehr niedrigem IR

weisen eine um 40% geringere Vorwärts-spannung VF auf als die in Automotive-An-wendungen verwendeten Standard-FRDs,sodass sichdieVerlustleistung verringert. In

Testanwendungen (es handelte sich um se-kundäre Gleichrichterschaltungen und DC/DC-Aufwärtswandler)wurdendieGleichrich-terdioden durch diese SBDs mit einem um64% kleineren Footprint ersetzt. Das Ergeb-nis zeigte sich durch Performance-Zuwachsmit weiterer Miniaturisierung des Endpro-dukts. Diese neuen Bauelemente könnenunter anderem in sekundärenGleichrichter-schaltungen und DC/DC-Aufwärtswandlernzum Einsatz kommen.

Automotive-DC-Wandler mitgeringer RuhestromaufnahmeDie Serie derAEC-Q100-qualifizierten syn-

chronen Abwärtswandler BD9901x enthältintegrierte MOSFETs mit niedrigem Ein-schaltwiderstand und kommt über einenweiten Eingangsspannungsbereich hinwegauf einenDauer-Ausgangsstromvon 2A.DieEigenschaftennebst integrierter SLLM-Rege-lung (Simple Light Load Mode) bürgen füreine extrem niedrige Ruhestromaufnahmeundein optimalesVerhältnis zwischenEner-gieeffizienz und Performance bei niedrigerebenso wie bei hoher Last, während gleich-zeitig eine geregelteAusgangsspannung zurVerfügung steht.Weil ein immer größerer Teil der Kfz-Elek-

tronik ständig aktiv sein muss, nimmt derBedarf an Stromversorgungen mit niedrigerRuhestromaufnahme (Iq) zu. Gleichspan-nungswandler, die sichdurch einenhöherenWirkungsgrad auszeichnen und für höhereStrömegeeignet sind, entwickelten sichhierzur bevorzugten Lösung. Sie sind jedochnicht frei von Nachteilen. Unter anderemführt der größereBedarf an externenBauele-menten imVergleich zu einfachenLösungenwie LDOs zu einer Zunahme der PCB-Flächeund des komplexerem Schaltungsentwurfs.Ein Faktor, der sich vorrangig auf die Zahl

2 A Dauerausgangsstrom: Die Serie der AEC-Q100-qualifizierten synchronenAbwärtswandler BD9901x enthält integrierte MOSFETs mit niedrigem Einschalt-widerstand.

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der von Stromversorgungs-ICs benötigtenexternen Bauelemente auswirkt, ist dieSchaltung zur Phasenkompensation, die zurAufrechterhaltung einer stabilen Ausgangs-spannung erforderlich ist.Normalerweise werden die gewünschten

Eigenschaften mit externen Widerständenund Kondensatoren eingestellt. ROHM ge-lang jedoch die Integration der Phasenkom-pensations-Schaltung in den IC. Mit denneuenDC-DC-WandlerndesUnternehmens,die niedrige Iq-Werte aufweisen und in kom-pakten HTSSOP-B24-Gehäusen zur Verfü-gung stehen, lässt sich das System-Designdeshalb gravierend vereinfachen.Alle Wandler sind für eine maximale Ein-

gangsspannungvon42Vausgelegt, kommenaber auch mit einer minimalen Eingangs-spannung von 3,6 V aus, sodass die Aus-gangsspannung auch bei Kaltstarts zur Ver-fügung steht. Die Current-Mode-Regelungsorgt für ein schnelles Ansprechverhalten,eine einfachePhasenkompensationunddieSoftstart-Fähigkeit. DieRuhestromaufnahmeder Bausteine bei 13,2 V Eingangsspannungbeträgt typisch 22 µA. Dies gilt für eine Aus-gangsspannung von 3,3 V (BD99010EFV-M)oder 5,0 V (BD99011EFV-M) bei Zimmertem-peratur und einer Schaltfrequenz von 400kHz (die Schaltfrequenz der Bausteine istzwischen 200 kHz und 500 kHz einstellbar).Aufgrund des synchronen, aktiven Syn-

chrongleichrichters und der Integration derFETs indasHTSOP-24-Gehäuse sowie infolgedes Light LoadMode lässt sich einWirkungs-grad von 92% bei 0,75 A bzw. von 87,5% beieinem Nennstrom von 2 A erzielen. Ein undderselbe Baustein kann somit sowohl großeAusgangsströme als auch niedrige Standby-Strömebereitstellen.Die hocheffizienteKon-figuration trägt nicht nur zu einemgeringenStromverbrauch bei, sondern vereinfacht

wegen der reduzierten Wärmeerzeugungauch die thermische Auslegung. Für einHöchstmaßanZuverlässigkeit sorgen außer-dem die integrierten Schutzfunktionen ge-gen Über- und Unterspannung, Überströmeund Überhitzung. Mit ihren spezifischenEigenschaften eignet sichdieBD9901x-Seriefür Stromversorgungen, die ausAutobatteri-en gespeist werden (z.B. Cluster-Panels undCar-Multimedia-Applikationen).

12-kanalige Konstantstrom-Treiber für LED-AnwendungenDie AEC-Q100-qualifizierten LED-Treiber

der Serie BD1837XEFV-M bietet mit ihrer in-dividuellen Kalibrierbarkeit und den PWM-Funktionen nicht nur eine hohe Einstell-genauigkeit der LEDs, sondern stellt einevollständigeDesign-Lösung fürAutomotive-Cluster mit großer Optionsvielfalt. Zusam-men mit den integrierten Diagnose- undSchutzfunktionen sorgen sie fürmehr Zuver-lässigkeit und Effizienz, eine ReduzierungdesBauteileaufwandsundderKosten sowiezu einer Vereinfachung der umfangreichenQualifikationsprozesse.Der Baustein BD1837xEFV-M ist ein über

den seriellen Eingang gesteuerter Konstant-strom-LED-Treiber in einem kleinen HT-SS-OP28-Gehäuse und einer Nenn-Ausgangs-spannung von 10 V. Für eine individuelleLED-Einstellung steht für jeden Ausgangeine 6-Bit-Helligkeitskalibrierung zurVerfü-gung. Sechs globale PWM-Kanäle ermögli-chen außerdem ein Dimmen aller Ausgängevon nahezu 0 bis 100%. Der Baustein bietet12 Konstantstrom-Ausgangskanäle mit ma-ximal 50 mA pro Kanal. Für höhere Aus-gangsströme lassen sich mehrere Kanäleparallelschalten.Der Treiberbaustein kannumfassendeDi-

agnosendurchführen, umLED-Ausfälle underhöhte Temperaturen auf dem Chip festzu-stellen. Mit seiner Alarmfunktion lässt sichein Totalausfall derApplikation verhindern.So wird etwa beim Ausfall des externen Wi-derstandes eineNotlauf-Funktionmit verrin-gertem Strom (typisch 10 mA) aktiviert. Dasintegrierte SPI-Interface gewährleistet eineKommunikation auchbeiÜbertemperaturenbis zu 150 °C.Die Einstellungender internenRegister lassen sich über diese Schnittstellebeschreiben und zur Kontrolle der eingetra-genenoder gemessenen Informationenauchjederzeit wieder auslesen.Weiterführende Links zudenProduktendes

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LEISTUNGSELEKTRONIK // ZUVERLÄSSIGKEIT UND LEBENSDAUER


Fünf Tipps für ein robustesmechanisches Design

Zerschossen, zerschraubt, zerrissen, kaputtgeschüttelt, überdehnt:Leistungshalbleiter sind Diven und wollen auch so behandelt werden.

Einige mechanische Grundlagen gilt es zu berücksichtigen.

MARTIN SCHULZ *

* Dr. Martin Schulz... arbeitet im Application Engineeringbei Infineon Technologies, Warstein.

Leistungselektronische Komponentenerscheinenhäufig als solideund robus-te Gebilde. Neben den elektrischen

Eigenschaften sind die mechanischen Ein-satzbedingungendieser Bauteile von erheb-licher Bedeutung für die Lebensdauer einesGesamtsystems. Fehlerhafte mechanische

Handhabungkanndabei ebenso zuunerwar-tet frühenAusfällen führenwiemechanischeSpannungen und Vibration.

Zerschossen: nur angefasstund schon kaputtDer Aufbau von Umrichtersystemen be-

ginnt,wie fast jeder Zusammenbau,mit demAuspacken der einzelnen Komponenten.Was bei passiven und mechanischen Kom-ponentenohneNebenwirkungenmöglich ist,kann für leistungselektronische Bauteilebereits zu derenVorschädigungoder gar zur

Zerstörung des Bauelements führen. DasZauberwort heißt ESD. Hinter dem Kürzelverbirgt sich der Begriff Electrostatic Di-scharge (elektrostatische Entladung). Elekt-rische Ladungen entstehen beispielsweisedurch Reibung von Schuhen auf Teppichenoder Kleidung an Textiloberflächen vonStühlen. Sie sammeln sichdabei ammensch-lichen Körper an. Ihre schlagartige Übertra-gung auf empfindliche Eingänge von Leis-tungselektronik wie Gate-Anschlüsse führtzu Spannungsspitzen von bis zu einigenhundert Volt. Ist genügend Ladung vorhan-

Bild 1: Ärgerlich – der nicht entfernte ESD-Streifen unten links verhindert, dass der Halbleiter wie gewünscht funktioniert. Mehrere Module landeten unnötigerWeise mit dem Vermerk „Gate-Emitter verbunden“ in der Retouren-Analyse.

Bilder:Infineon

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den, kann die hierbei freigesetzte Energieeine erste Schädigung hervorrufen. Selbstwenn das Bauelement zunächst unauffälligist, kann diese Vorschädigung im Feld zumFrühausfall führen. Dies lässt sich durchESD-gerechtes Schuhwerk sowie entspre-chende Kleidung und Laborausrüstung ver-hindern.Bei einigen Halbleitermodulen wird ein

ESD-Schutz in Form von leitenden Aufkle-bern aufgebracht. Dieser ist unter Berück-sichtigungder ESD-Richtlinienunbedingt zuentfernen. Eine Montage der AnsteuerungdurchdenESD-Schutz hindurch,wie in Bild1 geschehen, führt zu Fehlfunktion des Sys-tems, da sichderHalbleiter nicht einschaltenlässt.

Zerschraubt: wenn Biegekräftesinnlos waltenLeistungshalbleiter inModulbauformsind

wegen der zu erwartenden Verlustleistungauf geeignete Kühlkörper zumontieren. Ins-besondere bei Modulen mit metallenen Bo-denplatten sind es dann Schrauben, derenDrehmoment die endgültigen, auf dasModulwirkenden Kräfte definiert. Trotz der in derRegelmehrereMillimeter dickenBodenplat-ten können Biegekräfte entstehen, die eineZerstörungdesModuls zur Folge haben.Un-sachgemäße Aufbringung von zähflüssigenWärmeleitpasten kanndiesenEffekt herbei-führen oder begünstigen, der Zusammen-hang ist in Bild 2 verdeutlicht.Auf der Bodenplatte ist zunächst dasWär-

meleitmaterial ungleichmäßigdick aufgetra-gen. ImerstenSchrittwird eine Schraube aneiner Modulseite angezogen, wodurch dasWärmeleitmaterial in Richtung Modulmitteverdrängt wird. Beim Anziehen der gegen-überliegendenSchraubewirddieBodenplat-te nun imzweiten Schritt über die unter demModul gesammelte Paste gebogen. Die aufdie imModul liegendenKeramikenausgeüb-ten Biegekräfte führen im dritten Schritt zurRissbildung in der Keramik, was mit demVerlust der Isolierfestigkeit einhergeht.Dieser Fehler taucht im Endtest fertiger

Geräte als Ausfall auf. Er lässt sich vermei-den, indemWärmeleitpaste nichtmit Pinselnoder Rollen sondern mit Schablonendruckaufgebrachtwird. Schrauben sind inder vomHersteller empfohlenenReihenfolgemit ent-sprechenden Drehmomenten anzuziehen,eine Pause zwischen dem ersten Anziehenund dem Aufbringen des finalen Drehmo-mentes ist dabei einzuhalten.Der gleiche Fehlermechanismus zerstört

Module auch,wenndieVorgabe für dieOber-flächenebenheit vonKühlkörpern nicht ein-gehalten ist oder größere Verunreinigungen

auf der Montagefläche verbleiben. Bild 3zeigt einModul, bei demdie zerstörerischenBiegekräfte auf eine Zahnscheibe zurückge-hen, die versehentlich bei derMontageunterden Halbleiter geriet.

Zerrissen: tödliche Zugkräfteam TerminalDer Aufbau vonModulen setzt sowohl die

AnbindungandenKühlkörper als auch eineVerbindung mit der Steuerelektronik undden Terminals für den Laststrom voraus. ImFall vonModulen für Leistungen im Bereichvon hunderten kW oder mehr sind Treiber-stufen oft direkt amModulmontiert. Strom-zuführungen an den AC-Terminals und DC-

Bild 2: Biegung einer Bodenplatte mit zähflüssigerWärmeleitpaste führt zur Zerstörung des Moduls.

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Bild 3: Grobe Verunreinigungen auf Montage-flächen führen zu Biegekräften. Hier war eineZahnscheibe im Spiel (die Unterlegscheibe darunterdient dem Größenvergleich).

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International-Rectifier-Erwerb abgeschlossenNun ist das kalifornische UnternehmenInternational Rectifier ein Teil von Infi-neon. Der Kauf des Power-Management-Pioniers International Rectifier ist einwichtiger Schritt für Infineon, um diePosition als Weltmarktführer bei Leis-tungshalbleitern zu stärken. Infineon istsicher, dass International Rectifier undseine Mitarbeiter einen wichtigen Bei-trag für die gemeinsame, erfolgreicheZukunft leisten werden.„Durch das Zusammengehen der bei-den Unternehmen entsteht eine leis-tungsstarke Kombination“, konstatiertDr. Reinhard Ploss, Vorsitzender desVorstands von Infineon, „wir bieten un-seren Kunden ein Produktportfolio, dasseinesgleichen sucht. Durch unser pro-fundes Verständnis ihrer Anforderungenkönnen wir ihnen die besten und wett-bewerbsfähigsten Lösungen liefern. Mitder Akquisition werden wir unseren stra-tegischen Ansatz ‘Vom Produktdenkenzum Systemverständnis‘ noch schnellerumsetzen.“Geführt wird das vereinte Unternehmenvon Reinhard Ploss, Vorsitzender desVorstands, Arunjai Mittal, Vorstands-mitglied für Regionen, Sales, Marke-ting, Strategie und M&A, sowie DominikAsam, Finanzvorstand. President vonInternational Rectifier und von InfineonNorth America ist Robert LeFort.International Rectifier ergänzt Infine-on ideal. In der Kombination profitiertInfineon von einem größeren Portfoliound einer breiteren regionalen Präsenz,insbesondere bei kleinen und mittleren

Unternehmen in den USA und Asien.Durch den Zusammenschluss erhält In-fineon zusätzliches System-Know-howim Bereich Energiemanagement und ver-größert seine Expertise bei Leistungs-halbleitern. Zudem wird hervorragen-des Wissen bei Verbindungshalbleiterngebündelt, namentlich Galliumnitrid(GaN). Darüber hinaus entstehen durchdie Akquisition Größenvorteile in derProduktion, die die Wettbewerbsfähig-keit des Gesamtunternehmens stärken.Die Transaktion wird sich voraussicht-lich bereits im laufenden Geschäftsjahrpositiv auf den Pro-forma-Gewinn jeInfineon-Aktie auswirken. Es wird erwar-tet, dass Synergien weiteres Ergebnis-wachstum über die bereits realisiertenRestrukturierungserfolge von Interna-tional Rectifier hinaus treiben werden.Spätestens im Geschäftsjahr 2017 sollder Margenbeitrag von InternationalRectifier mindestens Infineons Ziel von15% Segmentergebnis-Marge über denZyklus entsprechen.Am 20. August 2014 hatte Infineon ange-kündigt, International Rectifier für circa3 Milliarden US-Dollar übernehmen zuwollen. Der Vorstand von InternationalRectifier und der Aufsichtsrat von Infine-on unterstützten einstimmig InfineonsAngebot von 40 US-$ pro ausstehenderAktie. Die zuständigen Kartellbehördenerteilten die erforderlichen Freigaben.Ebenso stimmten die Aktionäre von In-ternational Rectifier der Transaktion miteiner Mehrheit von 99,5% aller abgege-benen Stimmen zu.

Anbindungen sind als Schienenoder Plattenmit erheblichem Gewicht ausgeführt. Bild 4zeigt schematisch, inwelcher RichtungKräf-te auf das Modul wirken dürfen.Zugkräfte auf die Terminals sind unbe-

dingt zu vermeiden, daModule für Kräfte indieser Richtung nicht ausgelegt sind. Diesekönnen bis in die Verbindungsstelle auf derDCBwirken undderenVerschleiß beschleu-nigen. Intermittierende Kontakte oder dervölligeVerlust derAnbindungvonTerminalskönnen die Folgen sein.

Geschüttelt: mechanischerStress, der tödlich istFür alle mechanischen Aufbauten gilt,

dass Vibration mit der richtigen Frequenzund der passenden Amplitude auf Dauerzerstörerisch wirkt. Trotz des robusten Er-scheinungsbildes gilt diese Tatsache auchfür Halbleitermodule. Vibration tritt nichtnur in mobilen Anwendungen auf. Das50-Hz-Brummen im Schaltschrank, hervor-gerufen durch Drosseln oder Transformato-ren, erzeugt ebenfalls Schwingungen.Mittelseines passendenLaboraufbaus lässt sichdieSituation auch am fertigenGerät nachstellenundbeobachten. Bild 5 ist ein Screenshot auseiner solchen Untersuchung.

Die Zerstörung der Bonddrähteist vermeidbarDie im Bild rot dargestellte, gewölbte Flä-

che zeigt, wie sich die Ebene entlang derSeitenwand des Moduls verschiebt. Wenn-gleich stark vergrößert ist dochgut zu erken-nen, dass dieModulwand dynamisch defor-miert wird, was zu erheblichem mechani-schen Stress auf die dort befestigten Bond-drähte führt. Die Zerstörungder Bonddrähtedurch die kleine aber kontinuierliche Aus-lenkung lässt sich vermeiden. Stützen inhinreichenderAnzahl unddie sichereBefes-tigung größerer Massen sind hierfür unum-gänglich. Als größere Masse im Umrichterkönnen Zwischenkreiskondensatoren oderNetzdrossel in Betracht kommen, aber auchgroßvolumige Stromsensoren und Übertra-ger.

Ausgedehnt: Leistungsmoduleauf der StreckbankDie thermischeAusdehnungvonMetallen,

insbesondere in großen Umrichtern, übt ei-nen nicht zu unterschätzenden Einfluss aufdie Lebensdauer vonModulen aus. Der Aus-dehnungskoeffizient vonKupfer liegt bei 16,5ppmproKelvin. DerAufbau vonUmrichternimLeistungsbereich vonMWgeschieht häu-fig auf Basis parallel geschalteterModule. Istein gemeinsamerDC-Zwischenkreis vorgese-

Bild 4: Auf ein Modul wirkende Kräfte gemäß Application Note zur Montage.

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ihre Längeumetwa 24µm/K. Eine Tempera-turschwankung um 100 K über ein Jahr hin-weg, durch Einfluss von Außentemperaturund Stromfluss, ist keine Seltenheit. Diedaraus resultierendeLängenänderungkannsomit im Bereich einiger Millimeter liegen,die damit einhergehendenKräfte imBereichhunderter Newton.

So ist der Ausfall des Bauteilsist vorprogrammiertKonsequenterWeise sind solch großeVer-

bindungselemente an beiden Endenmassivzu verankern, da sonst dieGefahr droht, dassdieAusdehnungvonnur einem festenPunktausgeht. Das letzte an der Platte befestigteModul erfährt dann die gesamte Ausdeh-nungunddamit die größteKraft; derAusfallist vorprogrammiert.Ausden fünf beschriebenenGründen soll-

te der Entwickler neben den elektrischenEigenschaften auch denmechanischenAuf-bau und die thermische Situation im Augebehalten.Der Leistungshalbleiter darf dabei

nicht als tragende Komponente in Betrachtkommen, er ist möglichst so in den Aufbauzu integrieren, dass er kräftefrei bleibt. Ab-gesehenvonden stationärenKräften sind esinsbesondere Vibrationen, die es durch ge-eignete Tragelemente zu verhindern gilt.Findet all dies Beachtung, wird sicherge-

stellt, dass amEndenicht diemechanischenGegebenheiten Ursache von Frühausfällensind. Mehr zum Thema Zuverlässigkeit imOnline-Beitrag 43192186. // KU

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Bild 5: Untersuchungvon Vibrationsein-flüssen im Laborauf-bau (die im Bild rotdargestellte, gewölbteFläche zeigt, wie sichdie Ebene entlangder Seitenwand desModuls verschiebt).

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LEITUNGSELEKTRONIK // SIC-HALBLEITER


SiC-MOSFETs sind der neueIndustriestandard

Mit den neu angekündigten SiC-Leistungs-MOSFET, die hier skizziertwerden, stehen jetzt Wide-Bandgap-MOSFET für erste Designs mit 700

bis 1200 V/80 A bzw. 1700 V/5 A zur Verfügung.

WOLFGANG KNITTERSCHEIDT, SIEGFRIED W. BEST *

* Wolfgang Knitterscheidt... ist Geschäftsführer der EurocompGmbH, Bad Nauheim.

Die Vorteile der SiC-MOSFETs gegen-über Si-MOSFETs sind weitgehendbekannt und gehören heute zumAll-

gemeingut. Es sind imWesentlichender sehrniedrige EinschaltwiderstandRDS(on)über dieTemperatur, damit die geringen Verluste imleitenden Zustand, außerdem die geringenSchaltverluste und die hohe Kurzschlussfä-higkeit. Ein bedeutender Anbieter von SiC-Halbleitern ist Microsemi.Die Firma hat über die Jahre die SiC-Tech-

nologie stetigweiterentwickelt undkann z.B.

SiC-MOSFETs mit weiterhin verbessertenEigenschaftenbei denwesentlichenParame-tern anbieten, die werden im Folgenden nä-her betrachtet werden. Die Entwicklung hatzu neuen Typen für Spannungen von 700,

1200 und jetzt auch 1700 V geführt. Der Wi-derstand eines MOSFETs im leitenden Zu-stand (Durchlass-Widerstand) ist der Para-meter, demdiehöchsteAufmerksamgehört.Bild 1 zeigt den RDS(on) über die Temperaturvon zwei aktuellen Bauteiltypen von Mirco-semi verglichenmit zwei Produkten desMit-bewerbs.Der bei beiden 1200-V-Bauteilen geringere

RDS(on) über die Temperatur bietet im Betriebeine weit höhere oberste Grenze für Dauer-ströme. Der gezeigte Verlauf gilt für die Ge-häuseformen TO-247, D3 und SOT 227. Erzieltwird der niedrigereRDS(on)mit derMicrosemi-eigenen und patentierten Technologie. Sieermöglicht eine Sperrschichtstruktur miteiner geringenVFbei vergleichbarer Chipgrö-ße (durch größeren Schottkybereich undvergrabene P-Wells). Eine doppelte Metalli-sierung ermöglicht die Nutzung des gesam-ten aktivenBereichs für denMOSFET-Kanal,damit wird der spezifizierte RDS(on) (RDS-sp)geringer (RDS(on) x Area).

Niedriger Gate-Widerstandund hohe VerstärkungDer in Bild 2 gezeigte sehr geringe Gate-

Widerstand der APT-Typen im Bereich zwi-schen 1und 2Ωminimiert die Schaltverlusteund lässt zudem höhere Schaltfrequenzenzu. Selbst zusammen mit einem externenGate-Widerstand geringer Größe ergibt sicheinehoheSicherheit gegenSchwingneigung,das bedeutet viel Freiheit bei der Entwick-lung von Leistungsschaltkreisen bezüglichder Größe des externen Gate-Widerstands.Microsemis Wert für den Intrisic Rg ist nahe1Ω, imGegensatz zumMitbewerb, der Intrin-sic Rg-Werte von 5 bis 6Ωoder gar höher auf-weist. Der kleineGate-WiderstandbeiMicro-semi wird durch einen Hochtemperatur-Oxidationsprozess erzielt.Bild 3 demonstriertwie einehoheVerstär-

kung (gm) die Zeit ton wesentlich verkürzt.Die Verläufe von VG, ID und VD in der Grafikwurden bei dem Typ von Microsemi mit ei-

Bild 1: Vergleich des RDS(ON) über die Temperatur von 1200-V-Typen für Ströme von 30,35,40 und 50 A.

Quelle:M

icrosemi

Bild 2: Vergleich des Gate-Widerstandes von 50-mΩ- und 80-mΩ-Typen.

Quelle:M

icrosemi

Siegfried W. Best... ist freier Redakteur in Regensburg.

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nem zusätzlichen externen Widerstand von7 Ω aufgenommen.

Hohe Schaltfrequenzenbis 100 MHzDie dynamische Performance der SiC-Ty-

pen ergibt sich ausden sehr gutenWerten fürdie SchaltzeitenunddemgeringenRDS(on)beihöheren Operationstemperaturen. Die Ein-schaltzeit Eon (ton) wird durch eine hohe Ver-stärkung gm und den sehr geringen Gate-Widerstand Rg erzielt, während der extremgeringe Rg die Ausschaltzeit Eoff bestimmt.Trotzdembesteht keineOszillationsneigungzusammen mit geringen externen Gate-Wi-derständen Rg. Zusätzlich erweitert der ge-ringe RDS(on) bei hohen Temperaturen dieobere Schaltfrequenz und die Stromtragfä-higkeit. Für ISM-Applikationen hatMicrose-mi eine HF-SiC-Variante für Schaltfrequen-zen bis 100 MHz in Vorbereitung.

Das Jahr 2015bringt viele neue TypenDie 1200-V-Typen (mit 40 A/80 mΩ)

APT40SMxxx sind bereits in Stückzahlenerhältlich. Ab März folgen dann die in derTabelle gezeigten Typen für Anwendungenmit 700, 1200 und 1700 V in verschiedenenStromklassen bis 80 A und mit RDS(on) zwi-schen 40 und 800mΩ.Mit den angekündigten SiC-Leistungs-

MOSFET stehen jetzt Wide-Bandgap-MOS-FET für erste Designs mit 700 bis 1200 V/80A bzw. 1700 V/5 A zur Verfügung. Ihr Einsatzführt zuhöherer Systemeffizienzund ermög-licht höhere Systemschaltfrequenzen. Auchwerden die Anforderungen an das Wärme-

GaN – vom HF-Einsatz zur LeistungselektronikDer amerikanische Hersteller Qorvo(2014 entstanden aus dem Merger vonRFMD und TriQuint) kündigt die Verfüg-barkeit von zwei 650-V-SSFETs in sei-ner rGaN-HV-Technolgie an, die im Mai2012 erstmals publiziert wurde. RFMDbefasste sich bereits seit 1995 mit derGaN-Technologie, um Halbleiter fürLeistungsapplikationen zu entwickeln.Aktuelle GaN-SSFETs: Im isolierten TO-247 präsentiert sich der RFJS8300F, einschneller 650-V-SSFET (Source SwitchedFET), mit integrierter ultra-schnellen Frei-laufdiode und einer Sperrerholzeit Trrvon 12 ns und einer Sperrladung Qrr von40 nC. Der Normally-off insulated GateSSFET, von dem es erste Muster gibt, istausgelegt für 30 A (ID bei 25 °C) und bie-tet einen RDS(on) von 45mΩ. Die Schaltver-luste sind mit 20 μJ/30 μJ (Eon/Eoff) sehrgering. Der RFJS81506Q im 8 mm x 8 mmkleinen HV-PQFN-Gehäuse ist eine sehrschnelle Version und für 15 A ausgelegt,verfügt ebenfalls über eine interne sehrschnelle FW-Diode (Trr=9 ns, Qrr=21 nC).Qorvo bietet für RFJS8300F und RF-J81506Q drei Evaluations-Boards. DasRFJS3006FDK1-Eval-Board für einen

2,4-kW-Boost-Wandler wird im Con-tinuous Conduction Mode (CCM) be-trieben und eignet sich dazu, die Ein-und Ausschaltcharakteristiken desRFJS3006F sowie seine Verluste und denWirkungsgrad zu evaluieren. Das Boardenthält den RFJS3006F zusammen miteinem Treiber und einer SiC-Schottky-Diode sowie einer Spule. Die Spezifika-tionen sind: maximale Ausgangsleistung2400 W, Eingangsspannung 180 bis 240VDC, geregelte Ausgangsspannung 386V und Schaltfrequenz 133 kHz. Mit demRFJ83008FDK2-Eval-Board kann einehocheffiziente brückenlose 3-kW-Totem-Pole-PFC mit dem RFJS8300F evaluiertwerden. Die Merkmale hier sind On-Board CCM Control, Schaltfrequenz 100bis 500 kHz, OCP und Softstart. DasRFJ81506QDK1-Eval-Board schließlich istfür die Evaluierung eines 1-kW-Synchron-Boost-Convertersmit dem RFJ81506Q ge-dacht. Es bietet On-Board CCM Control,Schaltfrequenz 100 kHz, OCP, OVP undSoftstart. Die Roadmap bei Qorvo siehtweiteren Entwicklungsaktivitäten beiHochspannungs-GaN-SSFETs vor. Mustergibt es ab Mitte 2015.

management geringer und die Sicherheitgegen Lawinendurchbruch ist wesentlicherhöht. Durch den geringen RDS(on), die hohezulässige Betriebsspannung und die hohe

Stromtragfähigkeit (sowohl kontinuierlichwie bei Spitzenstrom) ist der sichereArbeits-bereich (SOA) wesentlich erweitert. Zu er-wähnen bleibt noch die hohe Kurzschluss-

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SiC & GaNauf der ÜberholspurDie Performance-Vorteile, die Wide-Band-Gap-Halbleiter wie Galliumni-trid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC)liefern, kann die Leistungselektronikgut gebrauchen. Verglichen mit Si-Bauteilen sind die Vorzüge u.a. eingeringerer RDS(on), veringerte Leckströ-me und reduzierte Schaltverluste. SiCdominiert noch bis 1200 V und darü-ber sowie durch die guten Schaltei-genschaften bei hohen Frequenzen.Der Umsatz mit SiC-Modulen überholtin überschaubarem Zeitraum den derdiskreten Bauteile. SiC-Bauelementewerden sich, zu mindestens in Ni-schen, in diversen Hochspannungs-industrieapplikationen etablieren.GaN-Leistungshalbleiter dagegenwerden bei Spannungen bis 900 Vdominieren und ihre Preise im Jahr2019 das Si-Niveau erreicht haben;alle 600-V-SiC-Schottky werden danndurch GaN ersetzt. Außerdem wirdsich GaN in Konsum- und Computing/Server-Powerconversion-Applikatio-nen etablieren. Kleinere Schaltnetz-teile in Ladegeräten oder PFC-Stufenim untersten Leistungsbereich kom-men hier in Frage und Sonderlösun-gen in Kleinumrichtern unter 2 kWsind auf Messen schon zu sehen.Auf GaN-Bauelementen basierendeUmrichter mit Leistungen im Bereichhunderter kW werden in den nächs-ten Jahren nicht zu finden sein, dochsind Entwicklungen dieser Größen-ordnung auf Basis von SiC bereits inder Erprobung.

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APT5SM170S D3

Tabelle: Die Roadmap der SiC-MOSFETs von Microsemi für das Jahr 2015.

Quelle:M

icrosemi

Quelle:M

icrosemi

Bild 4 : Abhängigkeit des Stromes ID von der Frequenz.

Bild 3: Die sehr gute Verstärkung bei Strömen größer 1 A verkürzt die Einschaltzeit positiv.

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AKTUELLE PRODUKTE // STROMVERSORGUNG

8. EntwicklErforumAkkutEchnologiEn

24.–26. mÄrZ 2015StAdthAllE ASchAffEnburg

24.03.2015grundlagen lithium-ionen-Akkutechnologie undbatterie-management-Systeme

25.-26.03.2015Expertenforum& Ausstellung

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Das DIN-Rail-Netzteil BED3P-96024 mit 3-Phasen-Universal-Netzeingang erweitert dieBED3P-Serie von Bicker Elektro-nik um ein leistungsstarkes Mo-dell mit 960 W Leistung. Dieguten Regeleigenschaften desSchaltnetzteiles sorgen für einestabile Ausgangsspannung von24VDC, welche amFrontpanel imBereich von 24 bis 28 V feinjus-tiert werden kann. Zudem ver-fügt das BED3P-96024 über einePowerBoost-Funktion, die einezusätzliche Leistungsreserve von150%derNennleistung (1440W)für 5 s amAusgangdesNetzteileszur Verfügung stellt. Dadurchlassen sich hohe Anlaufströmenachgeschalteter Verbraucherund Spitzenlasten sicher bewäl-tigen. Wie die bereits vorgestell-ten BED3P-Modelle mit Leistun-gen von 240 W (BED3P-24024)bzw. 480 W (BED3P-48024) ver-fügt auch das 960-W-Modellstandardmäßig über eine hoch-

DIN-RAIL-NETZTEILE

Knapp 1 kW für die Hutschiene

wertige Schutzlackbeschich-tung. Der im Tauchverfahrenapplizierte Schutzlack stellt diefehlerfreie FunktiondesNetztei-les selbst unter rauen Umge-bungsbedingungen sicher undschützt das Netzteil vor luft-feuchtigkeitsbedingten Schä-den, elektrisch leitfähigen Ver-unreinigungen und aggressivenUmwelteinflüssen.

Bicker

Günter Power Supplies hat seinPortfolio um die Serie UltiModmit 5 Jahren Garantie erweitert.Verfügbar sind vier 600-W-Netz-teil-Module mit bis zu acht Aus-gangsspannungen sowie sechs1200-W-Netzteil-Module mit biszu 12Ausgangsspannungen. Ins-gesamt stehen elf galvanischgetrennteModule für Ausgangs-spannungenvon 1,5 bis 58Vundeiner Leistungbis 240WzurVer-

NETZTEILE

600/1200 Watt für ITE und Medicalfügung.Nebender ZertifizierungnachEN60950 für Industrie undder EN60601-1 3rd Edition(2MOPP) für medizinische An-wendungen ist die Rüttelfestig-keit >60 G nach MIL STD 810GundAnlauf der Stromversorgungbei –40 °Cgegeben.DieUltiMod-Serie verfügt über eine breitePalette vonOptionen,Ausgangs-signalenund ist für vieleAnwen-dung konfigurierbar. Darüberhinaus ist die ProduktsicherheitMTBF>670.000 h und der Wir-kungsgrad 92%. Typische An-wendungen: medizinische, kli-nische diagnostische Geräte,medizinische Laser, Dialysegerä-te, radiologische Bildgebung,Industrieautomatisierung undMaschinen, Messtechnik, Auto-matisierungstechnik, Druck-,Telekommunikations-, Audio-und Rundfunkanlagen.

Günter Power Supplies

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LEISTUNGSELEKTRONIK //MATERIALIEN & WERKSTOFFE


Robustere Leistungselektronikdurch verbesserte AVT

Die Erhöhung der Powerzyklen-Festigkeit ist Ziel vieler Arbeiten vonLeistungshalbleiter-Experten. Ein wichtiger Dreh- und Angelpunkthierzu sind die Materialien in der Aufbau- und Verbindungstechnik.

GUIDO MATTHES *

* Guido Matthes... ist Technologist bei Heraeus, Hanau.

Die uns bekannte Aufbau- undVerbin-dungstechnik (AVT) wird sich starkverändern–werdendochdie Bautei-

le immer kleiner, imGegensatz dazudie Leis-tungsanforderungen immerhöher.Hiermüs-sen Entwickler den Einfluss und die Bedeu-tung der Materialien bei fortschreitenderSteigerung der Leistungsdichte, der Schalt-frequenzen und der Zuverlässigkeitsanfor-derungen betrachten und berücksichtigen.Letztendlich gilt es, die Bauteile und einge-

setzten Materialien genau zu spezifizieren,um ihr einwandfreies Funktionieren sicher-zustellen, zumBeispiel bei höheren Tempe-raturen, die durchdie höhere Leistungsdich-te in den Bauteilen entstehen.

Aktuelle Trendsin der VerbindungstechnikIn den meisten Standard-Leistungselekt-

ronik-Modulen erfolgt der Schaltungsaufbaudurch Lötverbindungen (heutemit blei-frei-em SnAg-Lot, früher auch SnPb/Ag), bezie-hungsweise durch das Bondenmit Alumini-umdickdraht. Diese Materialien und die

entsprechenden Prozesse sind seit Jahrenbekannt und werden erfolgreich eingesetzt.Nun erhöht sich die Leistungsdichte per-

manent, verbunden mit höheren Betriebs-temperaturen (150, 175, 200 °C und höher)undgepaartmit ForderungenanverbesserteLangzeitzuverlässigkeit (über 15 Jahre fürAutomotive-Anwendungen), was die be-kannten AVT-Materialien an Ihre Grenzentreibt. Den „Todesstoß“ erhaltendie konven-tionellen Verbindungsmaterialien durchgroßeTemperaturhübe, z.B. beimAuto-Kalt-start imWinter oder durch rascheLastwech-sel in der Leistungselektronik, was eine be-

Bild 1: Zum Verbinden in, auf und unter der Leistungselektronik gibt es von Heraeus unterschiedlichste Materialien für die moderne AVT.

Bilder: Heraeus

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sondere Herausforderung hinsichtlich derPowerzyklen-Festigkeit darstellt.Zukünftig wird man in der Leistungselek-

tronik auch Halbleitermaterialien wie SiCoder GaN (Siliziumkarbid bzw. Galliumnit-rid) einsetzen.DieseHalbleiter ermöglichendeutlich schnellere Schaltfrequenzen undniedrigere Schaltverluste, erhöhte Leistungs-dichtenund sie arbeiten auchbeiwesentlichhöheren Sperrschichttemperaturen nochzuverlässig. Aufgrund der sehr guten Wär-meleitfähigkeit und seiner großenBandlückeist SiC auch für höhere Leistungsklassen,LeistungsdichtenundSperrschichttempera-turen sehr gut geeignet. AusdiesenGründenergibt sichderBedarf an optimiertenVerbin-dungsmaterialien mit verbesserten mecha-nischen, thermischen und elektrischen Ei-genschaften. Diese neuen Materialien müs-sen selbstverständlich zuverlässig bei erhöh-ten Betriebstemperaturen funktionieren.

Herausforderungund ZielkonfliktDer Edelmetall- und Technologiekonzern

Heraeus in Hanau hat sich in einer Vielzahlvon Projekten mit diesen Themen beschäf-tigt, insbesondere imRahmendesÜbergangszu bleifreien Loten mit Verbesserungen derthermozyklischen Beständigkeit und derHochtemperatureigenschaftender Lotlegie-rungen.Typische Herausforderung bei diesen Ar-

beiten ist der Zielkonflikt ausmöglichst nied-riger Prozesstemperatur beim Löten (Belas-tung der Bauelemente, Verdrahtungsträgerusw.) undder angestrebtenHochtemperatur-eigenschaften der Fügeverbindung. Einebloße Steigerung des Schmelzpunktes istdeshalbnicht zielführend.NeueEntwicklun-gen, die aus diesem Zielkonflikt hinausfüh-ren, sind zumBeispiel spezielle Legierungenwie das 6-StoffsystemSnAgCuBiSbNi (Hera-eus bezeichnet es als InnoLot) und die HT1-Legierung (SnAgCuInplusKristallmodifizie-rer).Die beiden neuen Legierungen haben ei-

nen ähnlichen Schmelzpunkt wie SnAg-Lotund ermöglichen Steigerungen der thermo-zyklischenundHochtemperatureigenschaf-ten. Auf der Leistungselektronik-Module-Ebene lässt sich dadurch die maximal er-laubte Betriebstemperatur bzw. die Power-zyklen-Festigkeit weiter verbessern.

Eine materialtechnischeMeisterleistungEine deutlichere Verbesserung der Hoch-

temperatureigenschaften wird durch dieisotherme Erstarrung des Lotes beim Diffu-sionslöten erreicht. Bei denkonventionellen

Lötverbindungenbildet sich eine eutektischeZone in der Mitte der Lötstelle und zumMe-tall die isothermerstarrten intermetallischenZonen. Die eutektische Zone der konventio-nellen Lote bestimmt die thermo-mechani-schen Eigenschaften. Sie hat beim SnAg-Loteinen Schmelzpunkt von 221 °C und beimSnPb-Lot von 183 °C.BeimDiffusionslötendagegen erstarrt das

Lot (z.B. SnCu, Schmelzpunkt 227 °C) iso-therm und verwandelt sich durch Reaktionmit dem Substratmaterial komplett in dieintermetallische Phase. Die intermetalli-schenPhasenhaben einendeutlichhöherenSchmelzpunkt als das konventionelle Lotselbst: Die Cu3Sn-Phase 676 °C und dieCu6Sn5-Phase 415 °C. Bei Verwendung vondünnen Schichten (Dicke etwa 10 μm) müs-sen jedoch spezielleDCB-Substratemit einergeringen Rauigkeit verwendet werden (einStandard-DCB-Substrat hat eine Rauigkeitvon ca. 20 µm).Zur Erzeugungdickerer Schichtenwirddas

Diffusionslot mit einem Grundstoff, z.B.Kupferpulver, gefüllt. Die niedrig-schmelzen-de Komponente des Lotes diffundiert in denGrundstoff, bis der ganze Lötspalt isothermerstarrt ist.Bei den Diffusionslötprozessen muss das

Lot länger als bei den konventionellen Löt-prozessen auf der Verarbeitungstemperatur

Bild 2: Lotpasten sind noch oft Stand der Technik,werden aber immer mehr durch spezielle und neueMaterialien abgelöst.

Bild 3: Früher musste beispielsweise ein Sensor(Bildmitte) extra aufgelötet werden. Durch Silber-Sinterpasten ist es nun möglich, Sensoren undChips in einem Arbeitsgang zu sintern. Dies spartKosten und Zeit.

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gehalten werden, besonders bei dickerenSchichten, dadie Zeit für dieAusbildungderintermetallischenPhasedurchDiffusionmitdem Quadrat der Schichtdicke wächst. EinvorzeitigesAbbrechendesDiffusions-Lötpro-zesseswürde zu einer eutektischenRestzoneführenunddiemechanischenEigenschaftensomit negativ beeinflussen. Die große Her-ausforderungbei dendickerenSchichten istes, eine gleichmäßige, porenfreie Verbin-dungsschicht zu erreichen.

Die Alternativezu LötverbindungenBeimVerbindendurchLöten schmilzt das

Lot unter Wärme (230 bis 250 °C für SnAg-Lot). An denGrenzen zumMetall findenDif-fusionsprozesse statt und intermetallischePhasen entstehen. Das Löten unter Vakuumhilft, die Porenbildung zuminimieren.Dagegen erfolgt beim Verbinden durch

Sinterpaste unter Wärme (über 220 °C) undDruck (5 bis 30 MPa) eine Verdichtung derSilberpartikel durchDiffusionsprozesse. DasDruck-Sintern hilft die Porosität in der Ver-bindungsschicht zu reduzieren, speziell beigroßflächigen Halbleitern. Eine Reinigungwie nach dem Löten ist nach dem Sinternnicht notwendig. Eineweitere Besonderheitist das Verbinden durch Sinterkleber. Hierhärtet der Kleber durch Wärme aus und dieSilberpartikel versintern. Äußerer Druck istnicht erforderlich. Die Reinigung nach demAushärten ist ebenfalls nicht notwendig.

Sinterkleberversus SinterpasteDer Sinterkleber kombiniert die Vorteile

der stoffschlüssigen Verbindung vonSilber(Ag)-Sinterpasten und die hohen Ad-häsionskräfte von Ag-Leitklebern in einemPastensystem. Im Vergleich zu einer Lotver-bindung hat eine mit dem Sinterkleber her-gestellte Fügestelle eine höhere Flexibilität.Dadurch kann sie besser die thermo-mecha-nischenBelastungen, die durchUnterschie-de im Wärmeausdehnungskoeffizientenzwischen dem Substrat und dem Halbleiterentstehen, kompensieren. Das kann beson-ders bei den großflächigen Halbleitern rele-vant sein.Der Silberkleber hat allerdings eine nied-

rigere thermische und elektrische Leitfähig-keit als die Sinterpaste selbst. Dagegen las-sen sich mit der Sinterpaste Verbindungenaufbauen, die selbst bei sehr hohen Tempe-raturen (300 °C) noch immer thermo-mecha-nisch stabil sind.Eine Steigerungder Temperaturbeständig-

keit und Powerzyklen-Festigkeit durch bei-spielsweise Sintern erfordert auch eine Op-

timierung der Bonddrahtverbindung. DasUltraschall-Wedge-Bondenmit Aluminium-Dickdraht bis zu einer Drahtstärke von 500μm stellt den Standardprozess dar. DurchdenEinsatz vonAluminium-Bändchenkannman durch die optimierte Geometrie diePowerzyklen-Festigkeit leicht verbessern.Eine deutlicheVerbesserungder Powerzy-

klen-Festigkeit lässt sich durch den EinsatzvonCu-DrähtenundCu-Bändchen erreichen.Kupfer hat darüber hinaus einedeutlich bes-sere elektrischeund thermischeLeitfähigkeit

als Aluminium. Durch die deutlich höhereHärte vonKupfer (Cu) bedarf es auchhöhererKräfte beimBonden, die dieAnwendungaufempfindlichen Halbleitern nicht zulassen.Einen Mittelweg stellen Aluminium be-

schichtete Kupferkern-Bonddrähte/Kupfer-kern-Bändchen dar: Durch die Aluminium-Beschichtung lassen sich diese Bonddrähtemit deutlich geringeremKrafteintrag bondenals die reinenKupferdrähte; undderKupfer-kern sorgt trotzdem für bessere thermische,elektrischeundmechanischeEigenschaftenund somit für eine bessere Powerzyklen-Festigkeit als bei den reinen Alu-Drähten.

Plattiertes Bandund Pressfit-PinBesonders für dieAVThat sich lautAussa-

ge vonHeraeus, das plattierte Band „HeraeusAlSi-Bond:CuNiSi“ bewährt. Aufgrund derMaterialkombination ausbondbaremAlumi-nium (Al-Si), auf einer Legierung ausKupfer(Cu), Nickel (Ni) und Silizi-um (Si), eignet essich sehr gut als Hochleistungswerkstoff fürEinpresstechnik-Anwendungen in der Leis-tungselektronik. Die Besonderheit dieserWerkstoffpaarung ist eine Kombination auseiner Alu-plattierten Bondoberfläche mithöchster Zuverlässigkeit und einerKupferle-gierungmit optimierter, d.h. auchbei erhöh-ter Temperatur unterdrückter, Spannungs-relaxation im Bereich der Einpress-Pins.Sein besonderes Potenzial erschließt die-

ser Werkstoff bei der robusten und sicherenHerstellung von Verbindungen zu Keramik-hybriden oder LTCC-Substraten für die Leis-tungselektronik. AusdemAlSi-Bond:CuNiSilassen sich innovative Leadframesmit einembondbaren Bereich und einer flexiblen Ein-presszone, den sogenannten Pressfit-Pins,realisieren. Diese Stifte sind so geformt, dassie ohne einen Lötprozess eine sichere undhaltbareVerbindungmit einemmetallischenoder metallisierten Substrat eingehen.Die Kombination aus Pressfit-Pin und

Bondoberfläche eröffnet neue Design-Mög-lichkeiten von Leistungsmodulen in an-spruchsvollen Umgebungen, z.B. bei hohenTemperaturbeanspruchungen (über 150 °C).Durch das relaxationsbeständige Grundma-terial (CuNiSi) lassen sich zuverlässige sowielanglebige Systeme herstellen und auf derAlSi-Beschichtung robusteBondverbindun-gen erzeugen. // KUWeitereDetails zu Produkten undApplika-

tionen von Heraeus Materials Technologygibt es im Online-Artikel mit der Beitrags-nummer 43192210.

Heraeus+49(0)6181 350

Bild 4: Besonders für Anwendungen in der Leis-tungselektronik gibt es von Heraeus die speziellenSinterpastenprodukte „mgic“. Gute thermischePerformance und hohe Einsatztemperaturen sindzwei Punkte, die als Vorteile genannt werden.

Bild 5: Kupferdrähte erreichen eine deutlichverbesserte Powerzyklen-Festigkeit als Aluminium.Darüber hinaus ist Kupfer deutlich besser elektrischund thermisch leitfähig.

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33ELEKTRONIKPRAXIS Leistungselektronik & Stromversorgung März 2015

AKTUELLE PRODUKTE // STROMVERSORGUNG

Der E-Bus-Lader ACS-713 vonAnsmann ist einuniverselles La-degerätmit integrierter Kommu-nikation, das alle gängigenKom-munikationsprotokollewie CAN,I2C, SM, LIN, HDQ etc. unter-stützt. Lithium-Akkupacks von24 bis 48 V werden von dem La-desystem automatisch erkannt.Nachdem der E-Bus-Lader Kon-takt mit dem Akkupack aufge-nommen hat, startet eine aus-führliche Diagnose. Das intelli-gente Ladegerät identifiziert dieAkkuspannung, der Ladestromwird angepasst undder Ladevor-ganggestartet. DieAusgangsleis-tung beträgt hierbei 300 W, wasLadeströme bis 10 A ermöglicht.Dadurch lassen sich bei Anwen-dungen wie beispielsweise inAntriebssystem, Power Toolsoder Medizingeräte kürzeste La-dezeiten bei gleichzeitigemAus-tausch von Parametern realisie-ren. Mit dem Lader ACS-713 prä-

LADEGERÄTE

Mit integrierter Kommunikation

sentiert Ansmann ein universel-les Ladegerät, das sich auf alleLithium-Akkusystemeanpassenlässt. Der E-Bus-Lader ACS-713kommuniziert mit dem Akku,lädt ihn schonend und ist dabeieuropaweit einsetzbar. Ab Ende2014 ist der ACS-713 erhältlich –auf Wunsch in verschiedenenGehäusefarben eloxiert.

Ansmann

Die primär getakteten AC/DC-Power-Module PM-IP67A200vonMTM Power sind in SchutzartIP67 ausgeführt undwurden spe-ziell für die elektrische Versor-gung vonSteuerungen, Sensorikund Aktorik im Feldbereich di-rekt an der zu versorgenden Ap-plikation konzipiert. Waren bis-her zum Erreichen des Schutz-grades IP67 für konventionelleStromversorgungen zusätzlicheMaßnahmen wie der Einbau inSchaltschränke oder entspre-chendeGehäusenotwendig, las-sendie Stromversorgungsmodu-le der Serie PM-IP67A den Ein-satz als „Plug and Play“-Lösungdirekt vor Ort zu. Ermöglichtwird dies durch den Anschlussüber spezielle 7/8"-Steckverbin-der und den thermoselektivenVakuumverguss. Die Power-Mo-dule der Serie PM-IP67A200 ver-fügen über 24-V-Single- und Du-alausgänge und sind entspre-chend UL 60 950-1 und UL 508

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zertifiziert. DerWeitbereichsein-gang eignet sich für 90 bis 264VACund 100bis 300VDC. DieAus-gänge sind Limited Power Sour-ces entsprechend EN 60 950-1und UL 1310, NEC class 2. DieGeräte entsprechen der Schutz-klasse 1 und erfüllen die Nieder-spannungsrichtlinie sowie dieaktuellen EMV-Normen zur CE-Konformität.

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STROMVERSORGUNGEN // ENERGIE-MANAGEMENT


Selektiver Überstromschutz undoptimierte Energieverteilung

Betriebssicherheit und Verfügbarkeit von Maschinen hängen starkdavon ab, ob das komplexe Zusammenspiel der Komponenten auch in

kritischen Situationen perfekt funktioniert.

Bei komplizierten Maschinen- und An-lagenabläufen ist eswichtig, alle Kom-ponenten zuverlässig und zu jedem

Zeitpunkt mit Energie zu versorgen, damiteine reibungslose Funktion gewährleistet ist.Beispielsweise kanndas selektiveAbsicherneiner DC-24-V-Versorgung den Komplettaus-fall einer Produktionsanlage durchÜberlastin einem Verbraucherabzweig wirkungsvollverhindern.Die FirmaE-T-A ist auf die siche-re Energieverteilung und den Überstrom-

schutz in Automatisierungsanlagen spezia-lisiert.Mit jetzt drei neuenund intelligentenSystemen reagiert der Marktführer aus Alt-dorf auf die aktuellen Herausforderungen.

Bus-Kommunikation fürDC-24-V-SteuerstromkreiseDas Stromverteilungssystem ControlPlex

Board vom Typ SVS201-CP ist ein System fürdenMaschinen- undAnlagenbauundweite-re produktionsorientierte Zielbranchen. Es

erfüllt die Anforderungen der Automatisie-rungstechnik im Hinblick auf selektivenÜberstromschutz und optimierte Stromver-teilung. Zusätzlich bieten die integriertenKommunikations-Schnittstellen über Profi-net oder Profibus-DP die Möglichkeit, neueKonzepte für Energieeffizienz, ConditionMonitoring und vorbeugende Instandhal-tung zu realisieren.Die Stromverteilungsbaugruppe SVS201-

PWR bildet gemeinsam mit den elektroni-schen Sicherungsautomaten vom TypESX50D-SunddemKommunikations-ModulCPC10 ein intelligentes Energieverteilungs-system für die 24-V-Steuerspannungsebene.Das Gesamtsystem ist für die verschiedenenFeldbus- undEthernet-Derivate geeignet undbietet 8 bis 24 Steckplätze mit insgesamt 40A Nennstrom.Durch eineKaskadierungder Stromvertei-

ler ist das System auf vier Strängemit insge-samt 96 Steckplätzen erweiterbar. Die steck-baren, elektronischenSicherungsautomatenTypESX50D-Smit integrierter Strombegren-zung und einer Abschaltkennlinie für alleLastarten erlauben echtes Plug&Play sowieHot-Plug. Per Software oder direkt am Gerätlässt sichder gewünscheNennstromeinstel-len.Zur Hardware mitgeliefert werden die

Software-Pakete ControlPlexViewsundCon-trolPlex Tools; sie erleichtern dieHardware-Konfigurationbei Planung, Inbetriebnahmeoder Instandhaltung. Die integrierte Appli-cation-CPU des CPC-Bus-Controllers sam-melt dann in einer Zykluszeit des internenELBus-Gerätebusses von höchstens 730 msalleMeldungenundMessdaten vonbis zu 96Steuerstromkreisen.DieWeiterleitungdieserMesswerte und Statusinformationen an dieübergeordnete Steuerungstechnik erfolgtetwa via Profinet oder Profibus-DP.Wertvol-leUnterstützungbei der FehlerlokalisierungvonKurzschluss oderÜberlast im jeweiligenLastkreis bietet der integrierteHistorienspei-cher durch seine umfassende Datensamm-lung und minimiert auf diese Weise uner-wünschte Stillstandzeiten.

Bilder:E-T-A

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Das System unterstützt auch das Energie-Management von Maschinen und Anlagen.Dabei steht das gezielte Abschalten nichtbenötigterVerbraucher undAnlagenteile imVordergrund.WichtigeKriterien sindhier dieFernsteuerbarkeit der einzelnen DC-24-V-Lastkreise sowie die Einstellung von Ein-schaltverzögerung und Abschaltsequenzenper SPS-Software. Dies vermeidet die Über-lastung der Stromversorgung, zusätzlichschont die integrierte Strombegrenzung derESX50D-Sdie Elkos amEingangderDC-24-V-Verbraucher.Mit demStromverteilungssystemControl-

PlexBoard SVS201-CP ist die kontinuierlicheAnalyse der Lastströme und Lastspannungnunauch inderDC-24-V-Ebenemöglich.Dieslässt sich für das Energieverbrauchsverhal-ten vonMaschinenundAnlagen zielgerichtetnutzten. Relevant ist das vor allem im Hin-blick auf die Einführung eines Energiema-nagementsystems nach ISO 50001 und diekontinuierliche Energiedatenerfassung.

Intelligente Kommunikationstatt StandardverdrahtungDas Stromverteilungssystem gibt es auch

mit integriertem Stromverteiler SVS16-EN.Die integrierte Übertragung von Betriebs-und Fehlerzuständen an die speicherpro-grammierbare Steuerung sowie das Schaltenund Rücksetzen einzelner Stromkreise derDC-24-V-Ebeneüber Ethernet I/PmachendasControlPlexBoard zum intelligentenSubsys-tem auf der unteren Steuerungsebene.Als Herzstück dieses Systems bietet der

Stromverteiler SVS16-EN eine Kombinationaus selektivem Überstromschutz, Stromver-teilung von Lastkreisen inklusive Schalten,SchützenundDiagnoseder angeschlossenen24-V-Komponenten. Über eine integrierteEthernet/IP-Busklemme erfolgt problemlosdie Ethernet-I/P-Kommunikation; alle dazugehörigen RJ45-Stecker sind bereits auf derTrägerplatine vorgesehen. Durch den eben-falls integrierten 2-Port-Switch unterstütztdas Modul die Echtzeit-Kommunikation inLinien- undRingtopologie undbietet zusätz-lich dieMöglichkeit, über einen integriertenWebserver alle Daten auszulesen und aufWeb-Seiten anzuzeigen.SVS16-EN-16 beinhaltet nebenallenKlem-

men für Einspeisungund 24-V-Lastverteilungauch 16 Steckplätze für verschiedene elekt-ronischeE-T-ASchutzschaltrelais TypE 10487xxoder SicherungsautomatenTypESX10-S.Die steckbaren ESX-Geräte lassen sich aufNennströme von 1 bis 10 A einstellen, umselektivenÜberstromschutz für alleVerbrau-cher imBereichderDC-24-V-Steuerspannungzu gewährleisten. Über die RJ45-Stecker im

SVS16-EN überträgt das integrierte EthernetI/P-Modul alle Fehlerzuständeder 16 Strom-kreise zur speicherprogrammierbaren Steu-erung. Über das gleiche Ethernet-Kabel er-halten die Sicherungsautomaten nach einerÜberstromabschaltung einen Fern-Resetoder denSteuerbefehl „Ein/Aus“. Bei der E/A-Verdrahtung des SVS16 EN 16 wird also an-statt der bisher mindestens 34 Einzelleitun-gen für SignalisierungundAnsteuerungnurdas Ethernet-Kabel angedockt. Das spartKosten für dieVerdrahtungund für zusätzli-che E/A-Baugruppen ein und erhöht gleich-zeitig die Diagnosefähigkeit.

DC-24-V-Schaltnetzteilebis 960 W LeistungMit den getakteten Schaltnetzteilen SMP

erweitert E-T-A schließlich das Produktport-folio imBereichder 24-V-Gleichstrom-Versor-gung auf der Steuerspannungsebene. DieGeräte zur Montage auf DIN-Hutschienensind für alle Automatisierungslösungen desMaschinen- und Anlagenbaus geeignet. Siesind abgestimmt auf die elektronischenSchutzschalter und SicherungsautomatenvomTypESS20, ESS31-T, ESX10, ESX10-TundREF16-S mit integrierter Strombegrenzung.Die Netzteilfamilie SMP bildet einen zent-

ralen Baustein der DC-24-V-Ebene und be-steht aus ein- bzw. dreiphasig gespeistenAC-Versorgungseinheiten. Alle verfügbarenStromstärken von 5, 10, 20 und 40 Awerdenbei einer Betriebsspannung von 24 VDC be-reitgestellt. Dies entspricht den Leistungs-klassen 120W, 240W, 480Wund 960W. Beieinem Wirkungsgrad von bis zu 93% sind

Bild 2: Das Stromverteilungssystem ControlPlexBoard mit integriertem Stromverteiler vom TypSVS16-EN ist durch seine Funktionsvielfalt einintelligentes Subsystem auf der unteren Steue-rungsebene.

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alle Geräte für eine maximale Umgebungs-temperatur bis 70 °C ausgelegt und passendamit in alle industriellen Anwendungen.Neben hoher Leistungsreserve hat die

SMP-Serie eine integrierte Blindleistungs-kompensation. Der einstellbare Parallelmo-dus ermöglicht dem Anwender dabei einegezielteAuswahl des benötigtenBetriebsmo-dus. Durch den vorhandenenWeitbereichs-eingang oder eine automatische Umschal-tung der Eingangsspannungsbereiche sinddie Geräte sowohl im europäischen als auchimUS-Markt einsetzbar. Dazu sind die Netz-teilemit allen EN- undUL-Zulassungen aus-gestattet.Durch diese Geräte steht nun Anwendern

der 24-VDC-Steuerspannungsebene ein auf-einander abgestimmtes Komplettpaket zurVerfügung, das sich aus der AC-Primärkreis-Absicherungüber denLeitungsschutzschal-ter Typ 4230-T, die primär getakteten Schalt-netzteile vom Typ SMP und die thermisch-magnetischen bzw. elektronischen Über-stromschutz-Schutzschalter oderSicherungsautomaten zur Absicherung der24-VDC-Lastkreise zusammensetzt.

Ein Sicherungsautomatfür die AntriebstechnikDer elektronische Sicherungsautomat vom

Typ ESX10-TB ist ein Gerät mit einemNennstrom von 16 A zur weiteren Vervoll-ständigungdesGeräteportfolios vonE-T-A imBereich der DC-24-V-Absicherung. Haupt-sächlich findet dieses Gerät Anwendung imAnlagen und Maschinenbau. Feine Positio-nierungen, schneller Transport oder kraft-aufwändige Aktionen wie Heben oder Sen-ken stehen imMittelpunkt zahlreicherAnla-gen- undMaschinenbau-Applikationen. ZurSteuerungdieser komplexenBewegungsab-läufe kommenhäufig elektronisch gesteuer-te, bürstenloseDC-Motoren zumEinsatz. Derelektronische Sicherungsautomat ESX10-Tmit Nennstrom 0,5 bis 12 A ermöglicht es,genau diese Lasten selektiv abzusichern.Durch seinen Abschaltpunkt bei typisch 1,1x INundderAuslösezeit von typisch 3 s erfüllter den Überlastschutz für motorische DC-24-V-Verbraucher undverhindert gleichzeitigeinungewolltesAuslösenbei schnellen Last-

wechseln.Durchdie integrierte aktive Strom-begrenzungverhindert er bei Kurzschlüssendas Einbrechen der Versorgungsspannungundermöglicht somit eine selektiveAbsiche-rungmehrererVerbraucher an einerDC-24-V-Versorgung.Der ESX10-TB-16A ist auch darauf ausge-

legt, Frequenzumrichter-Konfigurationen inder Antriebstechnik von Verpackungsma-schinen gemeinsam zubetreiben, gleichzei-tig imFehlerfall zu schützen undüber einenNot-Aus-Kreis vomNetz zu trennen. Bei die-sen Frequenzumrichter-Konstellationenhandelt es sichumkompakt aufgebaute Sys-teme, die mehrere Lastkreise über eine ge-meinsame Einspeiseeinheit zusammenfas-sen und eine Stromaufnahme bis 15 A auf-weisen. Eine gemeinsameAbsicherung sparthier Aufwand und Kosten.

Galvanischer Trennung bringtzusätzliche SicherheitDer ESS31-T ist ein elektronischer Schutz-

schalter für die weltweite direkte Hutschie-nenmontage, der eine galvanische Trennungbesitzt. Er sorgt damit für zusätzliche Sicher-heit bei der Absicherung von DC-24 V-Kom-ponenten in der Automatisierungstechnikund schließt gefährliche Anlagenzustände

zuverlässig aus. Durch umfassende Zulas-sungen eignet er sich ebenfalls für den Ein-satz in international eingesetztenMaschinenund Anlagen.Die Eigenschaft der galvanischen Tren-

nung (umgesetzt durch einen integriertenechten elektromechanischenSchutzschalter)verhindert nachHandabschaltungoderAus-lösung jegliche Rückspeisung auf die DC-24-V-Steuerspannung. ImFehlerfall schaltetder ESS31-T den Überlaststrom beim 1,2-fa-chen Nennstrom innerhalb von 500 ms (imKurzschlussfall sogar innerhalb von 100ms)ab. Die galvanische Trennung erfolgt dannnach 5 s. Eventuelle gefährliche Anlagenzu-stände sind dadurch komplett ausgeschlos-sen. Dies sorgt nicht nur für Bediensicher-heit, es erleichtert auch die Fehlersuche.Der TypESS31-T kommtmit einer einzigen

Kennlinie aus und kombiniert damit eineeinfacheBedienungmit absolut normenkon-former Absicherung. Dies gilt auch und be-sonders bei langen Lastleitungen oder nied-rigenLeitungsquerschnitten.Dabei stellt dieStrombegrenzungdes ESS31-T auf das 1,2-fa-chedesNennstromes zumeinen sicher, dassdieDC-24-V-Versorgung stabil bleibt. Gleich-zeitig sorgt sie dafür, dass ein zyklischerAustausch von Komponenten mit mechani-schen Schaltkontakten entfällt. Das bringtzusätzliche Maschinenlaufzeit und spartKosten.Als echter Schutzschalter ist der TypESS31-

T auch dann zu empfehlen, wenn es umdenEinsatz inweltweit exportiertenAnlagenundMaschinen geht. Die Zulassungen nachUL1077undEN/IEC60934machendenESS31-T sehr variabel einsetzbar. Zusätzlich erleich-tern eine aktive Strombegrenzung und eineKennlinie für alle Lastendie Elektroplanungnach der Faustregel „Maximalstrom = (Be-grenzungsfaktor 1,2) x Nennstrom“. Dabeiverhindert eine selektive Absicherung derLasten eventuelle Spannungseinbrüche desNetzteils.Zu weiteren Details der Automaten und

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STROMVERSORGUNG // THERMISCHES MANAGEMENT


Beste Effizienz auch beimThermal Management

Wenngleich Wirkungsgrade moderner Stromversorgungen steigen,muss trotzdem die noch verbleibende Verlustwärme bestmöglich

abgeführt werden. Lösungen zeigt dieser Beitrag.

MARC ERDMANN *

* Marc Erdmann... ist Ingenieur für Konstruktion undEntwicklung bei inpotron Schaltnetz-teile, Hilzingen.

Heutiges Knowhow der Stromversor-gungsentwicklung ermöglicht Wir-kungsgrade von bis zu 95%, eine

deutliche Verbesserung gegenüber vor 10Jahren. Einherwird dieKompaktheit erhöht,oftmals auchüber dendamals gängigen ther-mischen Beanspruchungen hinaus. Die ver-bleibenden 5% der aufgenommenen Ein-gangsleistung ist reine Verlustleistung, diein Wärme umgesetzt wird, welche aus derElektronikbaugruppe abgeführt werdenmuss.DieRealisierung vonKühllösungen istdeshalb neben dem Elektronik-Design dieHerausforderung, um kompakte und effizi-ente Lösungen zu realisieren. JedesKühlkon-zept ist wie jedes Netzteil von inpotron kun-denspezifisch ausgelegt. Der Kunde be-stimmtdie Einbaulageunddie Einsatzbedin-gungen.

Schaltnetzteile werden im Verhältnis zuihrerGröße zunehmendkomplexer. Dadurchwird das relative Volumen innerhalb derElektronik immer kleiner. Umdennoch guteundeffektivwirksameEntwärmungskonzep-te zu erzielen gilt es, viele ganz unterschied-liche Faktoren zu berücksichtigen.

Werkstoffauswahl entscheidetüber den KühlkörperDer richtige Werkstoff ist maßgeblich für

die FunktiondesKühlmediums. In der Regelfällt die Wahl auf Aluminium. Dieser Werk-stoff ist kostengünstiger als beispielweisesKupfer, hat eine geringere Dichte und dieVerfügbarkeit ist höher.Weiterer großerVor-teil von Aluminium ist die ausgezeichneteVerarbeitbarkeit.Elektrische Bauteile können aus Gründen

der Isolation und zum Teil aufgrund derEMV-Beeinflussung meist nicht direkt aufden metallischen Kühlkörper geschraubtwerden. Außerdem sind BlechoberflächensowieBauteiloberflächennicht ausreichendplan. Eine nicht plane Oberfläche wirkt äu-

ßert ungünstig einemgutenWärmeübergangentgegen. Aus diesen beiden Gründen nutztman sogenannte Thermo-Isolierfolien.DieseFolien sind elektrisch isolierend, teilweiseselbsthaftend sowie kompressibel und ga-rantieren bei einer definierten VerdrückungeinengutenundberechenbarenWärmeüber-gang.

Voraussetzung für denWärmeübergangEin entscheidender Faktor des Wärme-

übergangs von einem Bauteil auf den Kühl-körper ist die Anpresskraft,mit der das Bau-teil gegen die Kühlkörperfläche gedrücktwird. Diese Kraft sollte nach Möglichkeitüber die Zeit immer konstant sein. FederndeKlammern sind hierzu die sinnvollen, kos-tengünstigen Komponenten. Klammern ga-rantieren stets den gleichen Anpressdruckdes Bauteils auf die Kühlkörperfläche, auchbei häufigen Temperaturwechseln.Das bei inpotron integrierte Systemdieser

Befestigungslösung deckt den Großteil derAnforderung ab. Das System erlaubt eine

Bild 1:Kühlwinkellösung mit schraubbarenKlammern

Bilder:inp

otron

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STROMVERSORGUNG // THERMISCHES MANAGEMENT

schnelleVerfügbarkeit qualifizierter Techno-logien. Die Unterscheidung lässt sich mitzweierlei Grundtypenbeschreiben. Schraub-bare sowie aufspreizbare bzw. steckbare Be-festigungsklammern. Schraubbare Klam-mern lassen sich statt mit Schrauben auchmittels Bolzenbefestigen.Die Schraub- bzw.Nietverbindungen stellen gegenüber Klam-merlösungen einen erhöhten Aufwand dar.DagegenwerdenaufspreizbareKlammern

lediglich aufgesteckt. Diese einfache undsehr schnelle Montage wird mittels Sonder-werkzeugdurchgeführt. Die FormgebungderKlammer garantiert dasVerbleibenderKlam-mer in der richtigen Position. Eigene Klam-merentwicklungen bieten eine Vielzahl vonEinsatzmöglichkeiten, die bedarfsbezogenVerwendung finden. In SonderfällenwerdenBauteile auch direkt an den Kühlkörper be-festigt.MitHilfe einermechanisch integrier-ten SchraubensicherungwirddieHaltbarkeitderVerbindunggarantiert. Isolatoren sorgenfür die elektrische Sicherheit,wo immerdie-se benötigt wird.

Die Montagefreundlichkeitist ein wichtiger FaktorDie Montagefreundlichkeit der Netzteil-

baugruppe istmaßgeblich für eine effizienteund damit wirtschaftliche Produktion. Hiergilt: weniger ist oft mehr. Die meisten Kühl-körper sind so konzipiert, dass sie ohne zu-sätzlicheMontageelementewie beispielswei-se Schraubenmontierbar sind. Erreichtwirddasmittels eingepresster Einlöthilfe, sodassder Kühlkörper direkt auf der Lötwelle mitder Leiterplatte verbundenwird. Vorteil auf-gelöteter Kühlkörper ist außerdem, dass die-se elektrischmit der Elektronik, insbesonde-re ruhendem Potenzial verbunden sind.Abschirmeffekte zur EMV-Minimierungkom-men zudem den Elektronikentwicklern zu-gute.In einer optimierten Produktion werden

zurVereinfachungderMontagedieKühlkör-

per-Applikationen vormontiert. D.h. dasKühlmedium wird ggf. mit der Thermo-Iso-lierfolie beklebt, anschließend werden dieelektronischen Bauteile mittels der Befesti-gungslösungen angebracht. Diese Arbeiterfolgt an gesonderten Arbeitsplätzen. Vor-montierte Kühlkörper-Baugruppen fließendanach in den Produktionsprozess ein.Eine besondere Herausforderung ist das

Designder Kühlkörpermit demZiel, den zurVerfügung stehendenBauraumbestmöglichzu nutzen. Hierzu werden Kühlkörper opti-mal geformt, um theoretisch jede Lücke zwi-schenden elektrischenBauteilen zunutzen.Die thermischeKonvektion gilt es dabei stetszu berücksichtigen, ebenso die elektrischeSicherheit. Die Einbaulage des Netzteils isthier ebenfalls vonWichtigkeit, damit die er-wärmte Luft bestmöglich von dem Kühlkör-per abfließen kann; somit wird ein Wärme-stau vermieden.Es finden zunehmend auch diskrete Lö-

sungenAnwendung.Diskret heißt,manver-wendet Montageplatten, Front- und Rück-wände von Gehäusen, Gehäusedeckel undauch Kunststoffgehäuse, um die Wärme ab-zuführen.Dabeiwerdendie relevanten elek-trischen Bauteile entweder direkt an denGehäuseteilenbefestigt odermanverwendet

zusätzlicheMontagelementewieWärmeleit-bleche. Diese sind dann mit dem Gehäuseverschraubt oder mit Hilfe einer geeignetenKonstruktion an eine Fläche des Gehäusesgedrückt. So entstehen Kühllösungen ohneeinen Kühlkörper im eigentlichen Sinne aufder Leiterplatte zu platzieren.ImEntwicklungskonzept „Vonder Idee zur

Serie“ stehendieAnforderungendesKundenam Anfang. Nach der Konzeptionierung derElektronik entstehen die ersten Mechanik-datenmittels 3D-CAD-Software. In diese Ar-beit fließen Berechnungen und Erfahrungs-werte ausden internenDesign-Vorgaben ein.Nach Abschluss der Konstruktion gibt es

vonMusterlieferanten zügigVersuchsmusterim CNC-Verfahren. Mit diesen Mustern ent-stehen die ersten Prototypen. Zur nachfol-genden Verifizierung gehört die ausgiebigeKlimamessung,welchedie berechnetenundsimulierten Werte bestätigt. Nach Optimie-rungen kann je nach Komplexität des Netz-teils die Beauftragung der Serienwerkzeugefür den Kühlkörper erfolgen. Weitere Bilderdes Artikels und Links zum Thema finden Sieim Online-Beitrag 43192245. // KU

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Bild 2: Design einesKühlwinkels mittels 3DCAD-Sytem

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STROMVERSORGUNGEN //WIDE-BANDGAP-HALBEITER


Evaluation Boardsfür die GaN-TechnologieEine Totem-Pole-Schaltung mit integrierter PFC, ein Referenznetzteilund das Demoboard für PV-Wechselrichter nutzen EZ-GaN-HEMT-Bauteile, um die Performance-Vorteile von GaN zu evaluieren.

CARL BLAKE *

* Carl Blake... ist Senior Advisor Marketing beiTransphorm Inc, Goleta/Kalifornien.

In jeder Phase ihrer Einführung wurdenGaN-Produkte hinsichtlich ihrer tatsäch-lichenVerwendungweitgehend skeptisch

betrachtet. AusdiesemGrundhat sichTrans-phorm von Beginn an darauf konzentriert,die Leistungsfähigkeit von GaN in echtenSchaltungen zu demonstrieren, sodass sichEntwickler ein Urteil über die möglichenLeistungsverbesserungenmitGaN-Lösungenbilden können.Das Unternehmen Transphorm gehört zu

den Pionieren für GaN-Lösungen und be-dient die stetig wachsende Nachfrage nachSchaltungs-Designs, die auf normally-off-kaskadierten High-Electron-Mobility-Tran-sistoren (HEMTs) basierenund zu vorhande-

nen Treibern und Controllern kompatibelsind. Diese Kompatibilität ermöglicht An-wendern die einfache Einführung der GaN-Technologiemit nurminimalenSchaltungs-änderungen neben der Verbesserung vonLayouts undderOptimierungderDesigns fürhöhere Frequenzen, wodurch Lösungenmitgeringeren Abmessungen und höherenWir-kungsgraden entstehen.NachderQualifika-tion von 600-V-GaN-auf-Si-Bausteinen vonTransphorm bestätigen Anwender zuneh-mend eine höhere Performance leistungs-elektronischer Systeme.

Rückblick: Die Entwicklungvon GaN-HalbleiternIn den letzten 40 Jahren standen sowohl

die Reduzierung der Systemgröße als auchdie Verbesserung des Wirkungsgrades fürbeispielsweise neueNetzteilkonstruktionenimMittelpunkt. DieNachfragenachhöherenWirkungsgradenwurde ursprünglich durch

die geringeren Abmessungen der Systemegetrieben, weil sie die Möglichkeit zur Wär-meabfuhr beschränkten. Zudem hat in denletzten Jahren die Notwendigkeit zur Ener-gieeinsparung, die schließlich auchpolitischgefordertwird, zurNachfragenachnochmalshöheren Wirkungsgraden geführt. Verbin-dungshalbleiter (auch Verbundhalbleitergenannt; Halbleiter der chemischen Haupt-gruppen III undV) geltenmittlerweile als dieSchlüsselelemente für einen reduziertenEnergieverbrauch.In diesemArtikel werden dieDemoboard-

LösungenvonTransphorm inderReihenfol-ge ihrer Einführung besprochen. Diese dreieingeführten und auf GaN-Technologie ba-sierendenDemoboards sindder Photovolta-ik-Wechselrichter, die brückenlose Totem-Pole-Schaltungmit Leistungsfaktorkorrektur(PFC) sowie dasAll-in-One-Referenznetzteil,das inzwischen sowohl bei Transphorm alsauch bei On Semiconductor erhältlich ist.Jedes dieser Demoboards verwendet die

EZ-GaN-HEMT-Transistoren von Trans-phorm, die in Kaskodenkonfiguration ge-schaltet sind. Diese Konfiguration wurdeaufgrund ihrer einfachen Anwendung beimAustausch von MOSFETS oder Super-Junc-tion-Transistoren ausgewählt. Die Bauele-mente in Kaskodenschaltung besitzen eineGate-Steuerspannung von +/–18 V, sodassdiese mit vorhandenen Treibern und Cont-rollern verwendet werden können und eineschelle BewertungderVorteile derHochspa-nungs-GaN-Technologiemöglichwird, ohneauf die Störfestigkeit eines mit hoher Span-nung angesteuerten Gates verzichten zumüssen.Für die Auswahl von GaN-HEMT-Baustei-

nen stehenmehrereOptionen zurVerfügung.Die erste ist "ohneSteuerspannung leitend",der als D-Modus (depletion mode, Verar-mungsmodus) bezeichnet wird und einenegative Gate-Spannung zur Sperrung desBauelementes erfordert. Die zweite ist "ohneSteuerspannung gesperrt", der als E-Modus

Bild 1:Wechselrichter-Demoboard zur Beurteilung der kompakteren Layouts, die sich beim Austausch vonIGBT-Bauteilen durch GaN-Halbleiter ergeben.

Bilder:Transph

orm

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(enhancementmode,Anreicherungsmodus)bezeichnetwirdundeinepositiveGate-Span-nung oberhalb von vier Volt zur vollständi-genAnreicherung erfordert,wobei dieGate-Durchbruchsspannung von sechs Volt zukeiner Zeit überschritten werden darf. Ob-wohl inzwischen Gate-Treiber für D-Mode-Bauelemente erhältlich sind, sind diese imVergleich zuherkömmlicherenGate-Treibernteuer und es gibt für diese nur wenige Liefe-ranten. Transphormbietet deshalb einedrit-teVariante undkombiniert einenohneSteu-erspannung leitendenHEMTmit einemohneSteuerspannung sperrenden Niederspan-nungs-Silizium-MOSFET. Diese Konfigurati-on erleichtert die Einführung bei gleichzei-tigerNutzungder bewährtenRobustheit vonSilizium-Gates.

Demoboard mit GaN-Halbleiterfür PV-WechselrichterDie erste kommerzielle Anwendung von

Hochspannungs-GaN-Bausteinen war einvonYaskawaeingeführter PV-Wechselrichter.Dieses japanische Unternehmen hat einelange Tradition hinsichtlich der Einführungneuer Technologien, beispielsweise alsMarktführer beimÜbergang vonauf Bipolar-transistorenbasierendenWechselrichtern zuIGBT-basierten Lösungen für Fahrzeugan-triebssteuerungen. Die Einführung begannzunächstmit einem einfachenWechselrich-ter-Demoboard (Bild 1) zur Demonstrationder neuen, kompakteren Layouts, die beimAustausch von IGBT-basierten durch GaN-basierte Lösungen erforderlich sind. DerSchlüssel zudieser Erkenntniswar nicht nurdie höhere Schaltfrequenz von 50 kHz (imVergleich zuden in IGBT-basierten Schaltun-gen verwendeten 15 kHz), sondern auch dieäußerst hohe Anstiegsgeschwindigkeit (dv/dt) sowie die extremniedrige Speicherladung

der GaN-HEMT-Schalttransistoren, die ext-rem niedrige Schaltverluste ermöglichen.Nachdem die Schaltungsentwickler dieseAnforderungen erkannt hatten, bestand dieAufgabebeimSystementwurf darin, dieVor-züge der 600-V-GaN-HEMTs bestmöglich zunutzen. Dies wurde durch die Kombinationeines synchronen Boost-Schaltkreises miteinemhocheffizientenBrücken-Wechselrich-ter erreicht, die eineum40%reduzierteGrö-ße sowie eine Verringerung der Verluste um40% ermöglichte.Das Evaluierungskit vonTransphorm (TD-

PV1000E0C1) erlaubt EntwicklerndieBewer-tung der Leistungsvorteile der GaN-Leis-tungstransistoren in einphasigen Wechsel-richteranwendungenwie beispielsweise fürPhotovoltaik oder unterbrechungsfreieStromversorgungen. In diesem Kit sind vierGaN-HEMTs als Vollbrücke konfiguriert, diebei einer Frequenz von 100 kHz oder höherschalten, um ein sinusförmiges AC-Aus-gangssignalmit einerAmplitude von 100biszu 240 V aus einem 400-VDC-Bus zu erzeu-gen. Die Ausgangsleistung von 1000Wwirdohne forcierte Luftkühlung erreicht, wobei

Bild 2: Demoboard fürdie Implementierung derbrückenlosen Totem-Pole-Topologie (TDPS500E2A2)mit zwei GaN-HEMTs und zweiSilizium-MOSFETs.

mit forcierter Luftkühlungüber 1500Wmög-lich sind.

Das brückenloseTotem-Pole-DemoboardDieNachfragenachNetzteilenmit höheren

Wirkungsgraden für dieDaten- undTelekom-munikation hat das Interesse an brückenlo-sen Topologien angekurbelt. Obwohl diesehohe Wirkungsgrade aufweisen, besitzenviele auf dieser Art von Technologie basie-rendeSchaltungsentwicklungenEMV-Prob-leme imZusammenhangmit leitungsgeführ-ten Emissionen. Ein weiterer potenziellerNachteil dieser Topologie ist die hoheAnzahlan Bauelementen, die einen großen Teil derFläche der Leiterplatte einnehmen. Aller-dings bietet eine brückenlose Topologie wiedie Totem-Pole-Schaltung sowohl denVorteileines hohen Wirkungsgrades als auch ver-besserte EMV-Eigenschaften und eine nied-rige Bauteilanzahl.Dieser Ansatz sorgt schließlich dafür, den

festenAnteil derVerluste vonPFC-Dioden zueliminieren, sodass dieVerluste vonNulllastbis Volllast proportional zum Strom sind.

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Dies bedeutet, dass es zum ersten Mal mög-lich ist, am50%-Lastpunkt einenWirkungs-grad von 98% für den Gleichstromausgangzu erreichen.Transphorms Demoboard für die Imple-

mentierung der brückenlosen Totem-Pole-Topologie (TDPS500E2A2) besteht aus zweiGaN-HEMTs und zwei Silizium-MOSFETs(Bild 2). DieVerwendungdieser Bauelemen-te als synchrone Gleichrichter als Ersatz fürdie Dioden in einer typischen brückenlosenSchaltung erhöht den Wirkungsgrad nochweiter und eliminiert den ansonsten an denDioden auftretenden festen Spannungsab-fall.Wie inBild 3 gezeigt, lässt sichdasPrinzip

der Totem-Pole-PFC-Technologie am bestenerklären, indem man die brückenlose PFC-Schaltung in zwei Halbwellen unterteilt.Diese bestehen aus S1 und SD1 als brücken-lose PFC-Schaltung für die erste Halbwellesowie S2 und SD2 als entsprechende Schal-tung für die zweite Halbwelle. Während derpositiven Halbwelle des Wechselstroms istSD2 leitendundverbindet dieWechselstrom-quellemit derMasse derAusgangsspannung.S2 ist der aktive Boost-Schalter, während S1den Spulenstrom ableitet und die Spulen-energie zur Versorgung des Ausgangs ent-lädt. S1 ist ebenfalls leitend, umden freilau-fenden Spulenstrom abzuleiten und somitdie Leitungsverluste zu verringern.Währendder negativen Halbwelle ist SD1 leitend undverbindet die Wechselstromquelle mit demDC-Ausgangsbus. S1 ist der aktive Boost-Schalter undS2 leitet den freilaufendenSpu-lenstrom ab. Die Betriebsart ändert sich beijedem Nulldurchgang des WechselstromsWährend der positiven Halbwelle, treibt diedurch das Boost-Tastverhältnis bestimmtePWM den Schalter S2, während diese wäh-

rend der negativen Halbwelle den SchalterS1 treibt.In der gezeigten Betriebsart arbeiten die

TransistorenS1 undS2 als Freilaufdioden imBoost-Kreis. Die hohe Speicherladung (Qrr)der vorhandenen Silizium-MOSFETs würdeden Betrieb der brückenlosen Totem-Pole-PFC-Schaltung im CCM-Modus (ContinuousConduction Mode) unpraktikabel machenund den Gesamtwirkungsgrad verringern,sofern die Effekte der Body-Drain-Diodenicht durch Verwendung einer seriellen alsauch einer parallelen SiC-Diode eliminiertwürden. Im Vergleich zu typischen Super-Junction-Transistoren sind GaN-HEMTs auf-grund ihrer geringen Speicherladung undder geringen Schaltverluste die perfektenLeistungshalbleiter für diese Topologie.

Das All-in-One-Demoboard fürein 250-W-NetzteilDas aktuellsteDemoboard (TDPS250E2D2)

von Transphorm, das in Bild 4 zu sehen ist,ist einReferenz-Design für ein 250-W-Netzteilfür All-in-One-Computer und andere Klein-

leistungsanwendungen, bei denen GrößeundWirkungsgrad eineRolle spielen.DieserSchaltungsentwurf entstand aus einer Zu-sammenarbeit zwischenONSemiconductorund Transphorm, die gezeigt hat, dass GaN-Lösungen in Konsum-Anwendungen bis zueinigen hundert Watt Vorteile bieten. DieDemoboardswaren zuerst auf derAPEC 2014zu sehen, unddasReferenz-Designwurde imSeptember 2014 veröffentlicht.Darüber hinaus hat Transphorm ein voll-

ständiges Evaluation Board für ein 250-W-Netzteil entwickelt, das speziell auf die An-forderungen von All-in-One-Computern zu-geschnitten ist. DasBoard verwendet Steuer-ICs von ON Semiconductor (NCP4810,NCP1654, NCP1397, NCP4304 und NCP432)und drei 600-V-GaN-HEMTs von Trans-phorm, sowohl in den PFC- als auch in denresonanten Brückenkreisen, um die höhereLeistungsfähigkeit zu erreichen, die kleinereund flachere Systememöglich macht.Diese Anwendung nutzt die Vorteile der

verbesserten Leistungsfähigkeit der GaN-HEMT-Bauteile nicht nur im festverdrahtetenPFC-Kreis, sondern auch im resonantenBrü-ckenkreis, in dem die äußerst niedrige Aus-gangskapazität des GaN-HEMT eine schnel-lere Entladung der gespeicherten Energieermöglicht und somit dieVerluste verringert.Das kompakte Board schaltet mit 200 kHz,um eine Verringerung der Größe um 45% zuermöglichen.GleichzeitigwerdendieVerlus-te um30%reduziert, umeinenZielwirkungs-grad vonüber 95%zuerhalten.Dies verdeut-licht den Vorteil der Verwendung von GaN-Bauelementen zur Erzielung sowohl geringerAbmessungen als auch hoherWirkungsgra-de, wasmit vorhandenen Lösungen auf Sili-ziumbasis nicht möglich ist. Mit seinemUniversal-Wechselstromeingang ist das All-in-One-Netzteil-Evaluierungsboard in derLage, bis zu 20Abei 12VAusgangsspannungmit einem Spitzen-Wirkungsgrad von 95,4%aus dem 230-V-Netz zu liefern.Ausblick: Was überraschen mag, ist die

Schnelligkeit (3 Jahre),mit der SiC (Silizium-karbid) in HF-Verstärkern durch GaN ersetztwurde. Während der Übergang auf GaN imBereich der Leistungshalbleiter möglicher-weise nicht ganz so schnell seinwird, erwar-tenwir dennoch, dass dieser aber viel schnel-ler erfolgt, als es von den meisten Expertenvorhergesagt wird. // KU

Bild 3: Die synchrone brückenlose Totem-Pole-PFC-Schaltung.

Bild 4: Das Referenz-Board für ein 250-W-All-in-One-Netzteil.

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