Antriebstechnik

Leistungselektronik – energieeffizient und prozesssicher

Die Rohstoff- und Umwelt- sowie Klimasituation zwingen zum wirtschaftlichen Umgang mit Energie. Nicht nur elektrische Antriebe, auch viele andere Technikbereiche können der Forderung nach Energieeffizienz nur durch den umfassenden Einsatz leistungselektronischer Einrichtungen genügen. Ihr weltweiter Umsatz beträgt etwa 1,5 Milliarden US-Dollar pro Jahr, das jährliche Wachstum circa zehn Prozent.

Leistungselektronik-Bauelement IGBT-Modul

Bei Antrieben sowohl in Drehstrom- als auch in Gleichstromtechnik erfüllen Stromrichter alle Bedingungen zum optimalen Steuern von Strömen und Spannungen. Leistungshalbleiter bestimmen ihre Ausprägung und Weiterentwicklung. Der Quotient von Eigenschaften zu Kosten dieser auch als Ventile bezeichneten Bauelemente steigt stetig. Mit ihnen werden hochwirksam Leistungen zwischen wenigen Watt (Energiesparlampen) und Höchstwerten bei der Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) und Mittelspannungsantrieben verstellt. Seit 1960 etwa kommen unterschiedlichste Typen für jedweden dynamischen Anspruch zur Anwendung. Damit bestückte Stellglieder kennzeichnet maximaler Wirkungsgrad, flankiert von Wartungsarmut. Ihre Netzrückwirkungen unterschreiten die verträglichen Grenzen. Zudem benötigen sie kaum Hilfseinrichtungen. Erschütterungen und tiefe Temperaturen beeinträchtigen die Bauelemente nicht. Miniaturisierung, Energieniveau und Leistungsdichte, Verlustarmut, Ausfall- und Temperaturverhalten, EMV-Verträglichkeit, Herstellkosten wie Ausbeute führen dazu, dass die Wirkung Energieelektronik applizierender Systeme größer als die „funktionelle Summe“ ihrer Komponenten ist. Vorgänger wie Gasentladungsgefäße, Thyratrons, Magnetverstärker gehören der Vergangenheit an.

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Leistungselektronische Bauelemente

Als Basismaterial für die steuerbaren und nichtsteuerbaren halbleitenden Elemente dient bevorzugt monokristallines Silizium (Si). Die verfügbaren Typen schalten den gesamten Strom- und Spannungsbereich zuverlässig und wirtschaftlich. Tendenziell nimmt mit der Leistung die erreichbare Schaltfrequenz ab. Bedienen das Gebiet der unteren Leistungen bevorzugt MOSFET, dominieren bipolare IGBT – auch in Modulgestalt – mit weitaus geringeren Durchlassverlusten den Hochleistungsbereich. Grenzleistungen beherrschen Thyristoren und IGCT. Dadurch ließen sich – oft erst in jüngster Zeit – bereits aus der Phase der Quecksilber-Dampf-Technik bekannte Arbeitsprinzipien realisieren.

Energieelektronische Halbleiter werden (wie Motoren) natürlich oder fremd mit Luft, Wasser oder Öl gekühlt, um die internen Durchgangs- und Schaltverluste an die Umgebung abzuführen. Sie lassen sich seriell, parallel und antiparallel anordnen.

Das Verhalten der Ventile kommt dem idealen Schalter sehr nahe. Sie unterscheiden sich hinsichtlich Strom- und Spannungstragfähigkeit, bei der Ansteuerung, dem dafür benötigten Energiebedarf sowie der erlaubten Schaltfrequenz. Noch ist allen Strukturen gemeinsam, dass sie nur in einer Richtung Strom führen können. Thyristoren werden über die Steuerelektrode (Gate, Basis) eingeschaltet beziehungsweise leitfähig. Ausführungen wie GTO, IGBT, Transistoren lassen sich über den gleichen Anschluss sperren. Der kurzschlussfeste IGBT zeigt sich gegenüber Störungen besonders resistent. Zu beachten ist, dass Leistungselektronische Bauelemente (LE-BE) selbst kurzzeitige Überbeanspruchungen durch Strom und Spannung schlecht vertragen, weil sie eine extrem geringe, thermische Zeitkonstante haben und Überspannungen schnell die empfindliche Sperrschicht im Halbleiter zerstören.
Sofern mehrere Elemente integriert sind, spricht man von Leistungsmodulen. Werden darüber hinaus Sensoren, Schutzeinrichtungen, ventilnahe Ansteuerelektronik, Stromversorgungskomponenten, Microcontroller und andere Funktionen monolithisch oder hybrid einbezogen (Multi-Dies-Packages), entstehen „intelligente“ Smart-Power-Bauelemente (SPB) oder Intelligent Power Moduls (IPM), die eine Wechselrichterbrücke, sogar eine komplette Kleinstmotorsteuerung umfassen können. Weil die aufgeführten Funktionen das gleiche Gehäuse nutzen, steigt die Zuverlässigkeit, die Ansteuerung vereinfacht sich. Zu dieser Gruppe gehören im weitesten Sinne die Power Electronic Building Blocks (PEBB).

Entwicklungstendenzen

Die Konsolidierung der Eigenschaften begleitet das Verschieben der Strom- und Spannungsgrenzen in Richtung höherer Werte bei gleichzeitiger Zunahme monolithischer und hybrider Integration. Smart-Power-Bauelemente bilden einen Entwicklungsschwerpunkt. Neue Werkstoffe wie Siliziumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) und Diamant (C) ergänzen das Reinst-Si. Ihre Kristallstrukturen (selbst in Kombination mit Si) überschreiten die Si-Grenzwerte hinsichtlich Leistungsdichte, Wärmeleit- und Sperrfähigkeit (circa größer/gleich zehn Kilovolt). Zugleich verbessert sich das Schaltverhalten, die erzeugten Verluste sinken. Schließlich steigt die elektromagnetische Störfestigkeit, sodass die Schaltfrequenzen der Stromrichter anwachsen. Außerdem gehen die Netzrückwirkungen zurück. Grundsätzlich kennzeichnet die Situation bei den Neu- und Weiterentwicklungen der größer werdende Quotient Eigenschaften zu Kosten.

In der Leistungselektronik beschreibt ebenso wie in der Mikroelektronik (Moore’s Law) ein Wachstumsgesetz den Fortschritt. Schaltfrequenz und Leistungsdichte verdoppeln sich nämlich etwa alle 4,5 Jahre. Obwohl trotzdem kein universelles Ventil für die gesamte Spannweite geforderter Spannungen, Ströme und Schaltfrequenzen in Sicht ist, der nahezu perfekte Halbleiterschalter scheint in Gestalt des feldgesteuerten bipolaren Transistors IGBT gefunden zu sein. Die sich ausdehnende Integration senkt die Systemkosten und verbessert die Wettbewerbsposition des Anwenders. Dieser Trend muss sich fortsetzen, um künftig nicht nur 40 Prozent der elektrischen Energie (etwa 20 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs), sondern den doppelten Betrag verlustarm zu verstellen/umzuformen. Joachim Krause

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