Beitrag zur BMBF-Netzwerkveranstaltung Leistungselektronik (Teil IV abschließende Podiumsdiskussion)

Transkript

1 Beitrag zur BMBF-Netzwerkveranstaltung Leistungselektronik (Teil IV abschließende Podiumsdiskussion) Prof. Leo Lorenz, ECPE BMBF-Netzwerkveranstaltung Leistungselektronik: Aktueller Stand, zukünftige Herausforderungen und FuE-Bedarfe Nürnberg, Die vom BMBF initiierte und vom VDI/VDE organisierte Netzwerkveranstalltung hatte zum Ziel, die für die deutsche Industrie zur Aufrechterhaltung der Wettbewerbsfähigkeit wichtigen Applikationsfelder in Expertenkreisen zu diskutierten und zukünftige Forschungsschwerpunkte herauszuarbeiten. Hierbei ergab sich ein klares Bild, dass Deutschland in vielen Bereichen der Industrie- und Automobil-Elektronik sowohl in der Lehre und Forschung als auch in der industriellen Umsetzung von hochwertigen Komponenten und komplexen Systemen einschließlich dem nötigen Marktzugang heute eine führende Rolle einnimmt. Es bedarf jedoch größter Anstrengungen, diese Technologie- und Marktposition auch in der Zukunft gegen aufstrebende Wettbewerber z.b. aus China und Indien zu verteidigen. Die großen Applikationsfelder, wie die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen, die Übertragung, Verteilung und Speicherung elektrischer Energie, die Elektromobilität, die industrielle Anlagen- und Prozesstechnik sowie die elektrische Antriebstechnik mit deren leistungselektronischen Energieeffizienztechnologien betreffen wichtige Schlüsselgebiete der Infrastruktur für Energie, Mobilität und industrieller Produktionstechnik. Durch Infrastrukturveränderungen und dem Trend zum nachhaltigen, ressourcenschonenden Wirtschaften gewinnt die Leistungselektronik im globalen Wettbewerb höchste Bedeutung. In den Produktsegmenten mit Hochvolumenfertigung wie z.b. den Stromversorgungseinheiten im IKT-Bereich oder der Lichttechnik ist Deutschland hingegen kaum mehr vertreten, mit Ausnahme von partiellen hochwertigen Innovationen und Nischenanwendungen. Die erstgenannten Anwendungsfelder mit Schwerpunkt im mitteren und hohen Leistungsbereich umfassen Innovationen von der Komponente wie z.b. dem Halbleiter oder dem elektrischen Aktuator (E-Motor) über das Subsystem wie z.b. dem leistungselektronischen Stellglied einer Motorsteuerung bis hin zum komplexen System 1

2 wie z.b. einer HGÜ, einem Elektrofahrzeug oder einer autarken, stabilisierten Stromversorgung für ein Wohn- bzw. Industriegebiet. In der abschließenden Podiumsdiskussion wurden exemplarisch die Innovationsfelder im Hochleistungsbereich wie z.b. der Energieübertragung einschließlich der leistungselektronischen Stellglieder im Hochleistungsbereich, der Elektromobilität und der Technologien für erneuerbare Energieeinspeisung diskutiert und notwendige zukünftige Forschungsthemen aufgezeigt. Das Thema Energieeffizienz erstreckt sich über alle Anwendungsfelder in gleicher Weise. Die Kernaussagen dieser Diskussionsrunde lassen sich wie folgt zusammenfassen: MegaWatt-Leistungselektronik: Selbstgeführte Umrichter in Multilevel-Technologie mit modularen Technologieplattformen werden sich durchsetzen. Dafür sind systemspezifischen Submodule höchster Lebensdauer (> 30 Jahre) und Zuverlässigkeit notwendig. An die Steuerbarkeit - auch im Störfall- sowie die Verlustleistungsreduktion und Robustheit im gesamten System werden hohe Ansprüche gestellt. Hochspannungsisolation, thermisches Management, Explosionsschutz im Störfall sowie das Stacking von Leistungsschaltern sind die großen Herausforderungen. Durch den Einsatz von Wide-Bandgap-Devices im Hochvoltbereich kann eine weitere Verlustleistungsreduktion erreicht werden, verbunden mit einer Erhöhung der Leistungsdichte. Leistungselektronische Systeme für die Elektromobilität: Zur Erreichung der Kostenziele, der Gewichts- und Volumenreduktion des Umrichters sowie der Systemzuverlässigkeit ist basierend auf den heutigen Lösungen - ein Technologiesprung in der Leistungselektronik notwendig. Ein zukünftiger Lösungsansatz könnte darin liegen, dass Gesamtsystem Antriebsumrichter in hochfrequent getaktete leistungselektronische Teilsysteme zu zerlegen und mit deutlich kleineren passiven Komponenten zu Sub-Modulen zu integrieren. Mit dem Einsatz geeigneter modularer Schaltungstopologien, neuer Leistungshalbleiter (NV-MOSFET, GaN oder SiC Bauelemente), neuen applikationsspezifischen, hochfrequenztauglichen Chip- Verbindungstechnologien und effizienteren Kühltechniken könnte dieser Technologiesprung in eine Massenfertigung erfolgreich gelingen. Entscheidend ist, dass ausgehend vom Gesamtsystem- und Kosten-Knowhow die Subsysteme spezifiziert und alle Teilkomponenten neu entwickelt bzw. optimiert werden. Ein Bottom- Up Ansatz mit der Entwicklung der Einzelkomponenten (ohne dem 2

3 Detailwissen des Gesamtsystems und der Kostenziele) wird nicht zielführend sein. Das gleiche gilt für die leistungselektronischen Stellglieder im Auto einschließlich der Batterieladung und dem Batteriemanagement. Erneuerbare Energieerzeugung und Einspeisung: Die größte Herausforderung bei der Realisierung der Energiewende ist die Aufrechterhaltung der Netzstabilität und der Versorgungssicherheit unter Einbindung der variablen Systeme zur Erzeugung elektrischer Energie. Die Roadmap der Netzintegration (siehe Bild 1) zeigt sehr deutlich die zukünftigen Herausforderungen an die Spannungsstützung bei dynamischen Vorgängen sowie die Frequenzhaltung beim Zu-/ oder Abschalten großer Generatoren und dem Energiemanagement. Bei leistungselektronischen Wandlern zur Einspeisung aus Solarmodulen oder Windgeneratoren sind applikationsspezifische Module mit Sub- Systemintegration zur Erzielung extrem hoher Wirkungsgrade und Zuverlässigkeit gefordert. Querschnittsthema Energieeffizienz: Aus vielen Studien ist bekannt, dass mehr als 50% der weltweit erzeugten elektrischen Energie von Elektromotoren aufgenommen wird. Deshalb gibt es eine Vielzahl von Aktivitäten und Technologieentwicklungen an dieser Stelle die Energieeffizienz zu verbessern. Aus der Diskussion wurde klar, dass hier die gesamte Energieflusskette einschließlich der mechanischen Verbraucher betrachtet werden muss. Ein erweiterter Ansatz zur Energieeinsparung ist die digitale Steuerungstechnik für das Gesamtsystem. An dieser Stelle wird in Zukunft erhöhter Forschungsaufwand gesehen. Übergeordnetes Thema der Leistungselektronik für alle betrachteten Anwendungsfelder: - Die Leistungshalbleiter auf Si-Basis haben noch hohes Weiterentwicklungspotential in Richtung des FOM (niedrige Verluste, schnelles Schalten, hohe Robustheit höhere Arbeitstemperatur, Steuerbarkeit, etc.) und werden noch in den nächsten 1 bis 2 Dekaden bestimmend sein (siehe Bild 2). - Neue Halbleiterschalter basierend auf Wide-Bandgap-Halbleitern (siehe Bild 2) werden kommen und strategische wichtige Anwendungsfelder besetzen. Hierfür ist allerdings noch enormer Forschungsbedarf 3

4 notwendig. Diese neuen Schalter haben eines gemeinsam, nämlich dass sie extrem schnell schalten und vorzugsweise für hohe Schaltfrequenzen eingesetzt werden. Die Bewertung dieser Bauelemente, die über lange Zeit teurer sein werden, kann nur in Gesamtsystem erfolgen (Wirkungsgrad, Leistungsdichte, hohe Schaltfrequenzen bei gleichzeitig niedrigen Verlusten, etc). - Alle Schalter der Zukunft haben eine gemeinsame Herausforderung, nämlich die Beherrschung der extrem kleinen Chipflächen und schaltenden Chips im Package und System. Es ist eine neue Packaging- Technologie (Chip-Kontaktierung, Isolation) bei gleichzeitig guter Wärmeabfuhr, Materialien mit angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Design mit extrem niedrigen verteilten Induktivitäten, Kapazitäten und ohmschen Widerständen notwendig. Darüber hinaus ist ein neuer Ansatz im Schaltungsdesign, der Beherrschung von EMV und Verschiebungsströmen durch Koppelkapazitäten zu berücksichtigen. Eine auf Systemebene koordinierte Forschung und Entwicklung wird in Zukunft von hoher Bedeutung sein. Schon die abgestimmte Entwicklung von Produkten auf Komponentenebene ist - wie Bild 3 zeigt - in Zukunft unerlässlich. - Systementwicklung der Zukunft: Wie die Diskussion ergeben hat, sind nahezu über den gesamten Leistungsbereich der Leistungselektronik (Energieerzeugung, Übertragung, E-Auto, Verbraucher) applikationsspezifische Lösungen (z.b. hochfrequent getaktete Teilsysteme) integriert in Sub-Modulen Voraussetzung für den nächsten Technologiesprung. Nur wer die Bauelementetechnologien, die Expertise im applikationsspezifischen Moduldesign schneller Schalter gepaart mit dem Systemwissen und dem Knowhow der Schaltungstechnik einschließlich der passiven Bauelemente projektweise koordinieren kann, wird im Markt erfolgreich sein. Abschließende Statements: - Wichtige Innovationen zukünftiger leistungselektronischer Systeme werden über die Systementwicklungs-Roadmap angestoßen. - Technologietreiber werden auch in Zukunft im wesentlichen die Halbleiterbauelemente, die Aufbau- und Verbindungstechniken mit allen notwendigen Materialentwicklungen (Isolation, CTE, Wärmeabfuhr, passive Komponenten und Kühltechniken, Hochtemperatur-Elektronik) sein. Nur wer die kleinen Chipvolumina und ultraschnellen Schalter 4

5 störsicher im System beherrscht wird im System der Zukunft wettbewerbsfähig sein. Dieser Teil ist das Rohmaterial für zukünftige Systeme und der Wettbewerbsfähigkeit auf dem Weltmarkt. - Für eine erfolgreiche Zukunft der Leistungselektronik (Industrie, Lehre & Forschung) in Deutschland ist eine enge Kooperation unterschiedlicher Industriefirmen mit Einbindung der Forschungseinrichtungen und Universitäten von noch höherer Bedeutung. Diese Schnittstelle sowie die Entwicklung einer langfristigen Technologie-Roadmap (> 10 Jahre) kann hervorragend durch das ECPE-Netzwerk hergestellt werden. In diesem in Europa einzigartigen Forschungsnetzwerk sind alle Kompetenzen aus Industrie, Forschung und Universität vereint, so dass diese Plattform mit Erfolg besetzt werden kann. 5