Effizientere Leistungselektronik für den künftigen Einsatz

… im Bereich der erneuerbaren Energien.

Von TU Chemnitz bearbeitete Teilprojekte innerhalb des von der EU, dem Bund und den Ländern Sachsen und Thüringen geförderten Verbundprojektes „Power2Power“ erzielten Fortschritte bei der Erforschung der Zuverlässigkeit und Robustheit von Leistungshalbleitern.

Leistungshalbleiter befinden sich in vielen elektronischen Geräten und elektrotechnischen Anwendungen. Aufgrund dieser großen Verbreitung hat eine Erhöhung der Effizienz und Robustheit dieser Bauteile – zum Beispiel durch weniger Durchlassverluste oder eine erhöhte Kurzschlussresistenz – enorme Auswirkungen auf die Energiebilanz und Haltbarkeit der jeweiligen Geräte und Applikationen. Dieser Befund war die Ausgangslage für das von der Europäischen Union, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie den Ländern Sachsen und Thüringen über einen Zeitraum von drei Jahren geförderten Verbundprojektes „Power2Power“, an dem auch die Professur für Leistungselektronik (Leitung: Prof. Dr. Thomas Basler) der Technischen Universität Chemnitz beteiligt war. Das Verbundprojekt mit 43 Partnerinnen und Partnern wurde von Infineon koordiniert. Das Projektvolumen belief sich auf insgesamt rund 74 Millionen Euro, wovon rund 528.000 Euro auf die TU Chemnitz entfielen.

Die von der Professur für Leistungselektronik der TU Chemnitz bearbeiteten Teilprojekte widmeten sich insbesondere der Erforschung der Zuverlässigkeit und Robustheit von Leistungshalbleitern. Konkret ging es um die Verbesserung sogenannter „Insulated Gate Bipolar Transistoren“ (IGBT). Das sind Transistoren, die über eine kleine Gate-Spannung gesteuert werden und essentiell für die Leistungselektronik sind, zum Beispiel zur Energiewandlung in Windkraftanlagen oder der Motorsteuerung in der Elektromobilität. Im Rahmen des Verbundprojektes ist es den Forscherinnen und Forschern aus Chemnitz gelungen, einen wesentlichen Schritt hin zur Produktion intelligenter Leistungselektronik für energieeffizientere Anwendungen zu machen.

„Es ist uns gelungen, die physikalischen Vorgänge im Kurzschlussfall des IGBT wesentlich besser zu verstehen. In der Folge konnten wir ein verbessertes Ansteuerungskonzept vorstellen, das einer möglichen Zerstörung des Bauteils bei sehr hoher Belastung entgegenwirkt. Darüber hinaus haben wir die generellen Grenzen der Kurzschlussfestigkeit – die sogenannte Safe-Operating-Area – umfänglich definiert“, erklärt Thomas Basler. Mit diesen Erkenntnissen und Entwicklungen könne man das Bauteil in der Applikation besser ausnutzen und erhöhe die Gesamtrobustheit des Systems. Insbesondere im Bereich der erneuerbaren Energien werden die Ergebnisse der Forschungsgruppe von Prof. Basler künftig Bedeutung haben, da vor allem dort hocheffiziente und robuste IGBTs gebraucht werden.

„Zusätzlich profitieren aber auch Anwendungen in der Elektromobilität und in der Traktionstechnik, zum Beispiel bei Hochgeschwindigkeitszügen und Straßenbahnen“, ergänzt Basler. Gerade in der Traktionstechnik würden besonders hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Elektronik gestellt, da diese bis zu 30 Jahre halten müsse. „Innerhalb des Verbundprojektes konnten wir Beiträge für eine verbesserte Vorhersage der Lastwechsel-Lebensdauer liefern und Design Rules für optimierte Leistungsmodul-Layouts erarbeiten“, so Basler.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Thomas Basler, Professur für Leistungselektronik, Tel. +49 (0)371 531-37843, E-Mail thomas.basler@etit.tu-chemnitz.de

Originalpublikation:

– M. L. Mysore, M. Alaluss, A. Maitra, T. Basler, R. Baburske, F.-J. Niedernostheide, and H.-J. Schulze. Inves- tigation of the short-circuit type II safe operating area of IGBTs. In 2022 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’22 ECCE Europe), pages P.1–P.10, Sep. 2022.

– X. Liu, E. Deng, H. Wang, C. Herrmann, T. Basler, and J. Lutz. Influence of lateral temperature gradients on the failure modes at power cycling. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 11(3):407–414, March 2021. ISSN 2156-3985. doi: 10.1109/TCPMT.2021.3058201.

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