Elektroantriebe für Industrie 4.0. Herbert Pairitsch, Infineon Technologies Austria AG

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1 Elektroantriebe für Industrie 4.0 Herbert Pairitsch, Infineon Technologies Austria AG Wien,

4 Energieeffizienz ist zwingend notwendig Increase of population Climate change Aging Society 2050: More than 9 billion people live on our planet 2100: limitation of temperature increase to max 2 degrees 2050: More than 2 billion people are above 60 years old Growing Megacities Real and digital World are melting together 2030: 5 billion people live in cities 2020: More than 30 billion devices are connected to the internet Increase of efficiency and productivity is required Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 4

5 Bis 2035 wird sich der weltweite Energieverbrauch verdoppeln 2007 Weltweiter Energieverbrauch 2035 Weltweiter Energieverbrauch Quadrillion Btu % % % Delivered electricity Energy used for electricity generation Total energy Delivered electricity Energy Total energy used for electricity generation Source: EIA - International Energy Outlook 2010-Highlights ( Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 5

7 Über Infineon Geschäftssegmente Automotive 17% (ATV) 31% 41% 11% Umsatz GJ 2016 Industrial Power Control (IPC) Power Management & Multimarket (PMM) Chip Card & Security (CCS) Mitarbeiter Mehr als Mitarbeiter weltweit (Stand: Sept. 2016) Amerika Mitarbeiter 34 F&E- und 19 Fertigungsstandorte Europa Mitarbeiter Asien/Pazifik Mitarbeiter Finanzen Marktposition [Mio. ] Automotive Power Smart card ICs ,2% 14,4% 15,5% 9,8% GJ 13 GJ 14 GJ 15 GJ 16 # 2 # 1 # 2 Umsatz Segmentergebnis Marge Strategy Analytics, April 2016 IHS Markit, Oktober 2016 IHS Markit, Juli Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 7

8 Führende Positionen in allen wesentlichen Produktkategorien Automobilelektronik Marktvolumen KJ 2015: $27,4 Mrd. Leistungshalbleiter Marktvolumen KJ 2015: $14,8 Mrd. Chipkarten Marktvolumen KJ 2015: $2,72 Mrd. NXP 14,2% Infineon (incl. IRF) 18,7% NXP 30,5% Infineon 10,4% Mitsubishi 6,3% Infineon 24,8% Renesas 10,3% Fairchild 6,1% Samsung 16,2% STMicro 7,7% STMicro 5,7% STMicro 15,1% Texas Instruments 7,0% Vishay 5,0% andere 13,3% Halbleiter für Automobilelektronik inkl. Halbleitersensoren Quelle: Strategy Analytics, April 2016 Diskrete Leistungshalbleiter und -module Quelle: IHS Markit, Oktober 2016 Mikrokontroller-basierte Chipkarten ICs Quelle: IHS Markit, Juli Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 8

9 Infineon profitiert von den drei am schnellsten wachsenden Segmenten im Halbleitermarkt Durchschnittliche jährliche Wachstumsraten im Zeitraum Industrieelektronik 8,2% $42Mrd. * Chipkarten ICs** 7,3% $3.4Mrd. * Automobilelektronik 6,5% $29Mrd. * Datenverarbeitung Halbleitermarkt gesamt 4,7% 4,6% $108Mrd. * $347Mrd. * Unterhaltungselektronik Kommunikation 3,4% 3,2% $41Mrd. * $127Mrd. * Quelle: IHS Markit, Worldwide Semiconductor Shipment Forecast, Dezember 2016 * Marktgröße im Kalenderjahr 2015 ** Quelle: ABI Research, Secure Smart Card & Embedded Security IC Technologies, Juli 2016; Smart card und Embedded Secure Mikrocontroller ICs Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 9

10 Unternehmensüberblick Infineon Technologies Austria AG Geschäftsjahr 2016 (per ) Umsatz EGT Investitionen davon Sachanlagen 1.839,5 Mio. 158,5 Mio. 357,0 Mio. 133,9 Mio. davon immat. Wirtschaftsgüter 223,1 Mio. Beschäftigte F&E-Aufwand in % d. Umsatzes 22 % Linz (F&E) 97 MA Wien (Vertrieb) 10 MA Graz (F&E) 313 MA Beteiligungen Inland DICE, Linz IT Services, Klagenfurt KAI, Villach Beteiligungen Ausland Infineon Technologies Romania SCS (F&E) Infineon Technologies (Kulim) Sdn Bhd, Malaysia (P) Villach (F&E, P, M, IT) MA internationale Headquarter-Funktionen Klagenfurt (IT) 161 MA internationale Headquarter-Funktion Linz Wien Graz Klagenfurt Villach Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 10

11 Vorreiter für Industrie 4.0 #industry4ward Wettbewerbsfähigkeit in Europa stärken Als Anwender kennen wir die Herausforderungen, als Ausrüster bieten wir Produkte für die Umsetzung Gebäudeverbund für Forschung, Entwicklung und Produktion in Villach Investition & F&E-Aufwand: 290 Mio. bis High-Tech-Arbeitsplätze Pilotraum Industrie 4.0: Fertigungsprozesse in Bereich konzentriert und schrittweise optimiert Entwicklung und Fertigung eng verknüpft Schneller, effizienter und innovativer am Markt Energie- und Ressourcenverbrauch intelligent steuern Arbeitsplätze der Zukunft bewusst gestalten: Von der Arbeitskraft zur Know-how-Kraft Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 11

12 Corporate Social Responsibility Wir schaffen einen ökologischen Nettonutzen Emissionsreduzierung ermöglicht durch unsere Produkte und Lösungen rund 1,8 Millionen Tonnen CO 2 -Äquivalente CO 2 -Belastung 1) Verhältnis rund 1:30 rund 52,4 Millionen Tonnen CO 2 -Äquivalente CO 2 -Einsparung 2) Ökologischer Nettonutzen: CO 2 -Reduktion um rund 50 Millionen Tonnen 1) Die Kennzahl berücksichtigt Produktion, Transport, Dienstfahrzeuge sowie Flugreisen, Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, Chemikalien, Wasser/Abwasser, direkte Emissionen, Energieverbrauch, Abfall usw. Sie basiert auf intern erhobenen Daten und öffentlich verfügbaren Umrechnungsfaktoren und bezieht sich auf das Geschäftsjahr ) Die Ermittlung der Kennzahl erfolgt auf Basis selbst entwickelter Kriterien, die in den begleitenden Erläuterungen detailliert erklärt werden. Die Kennzahl bezieht sich auf das Kalenderjahr 2015 und wird für folgende Bereiche erhoben: Automobil, LED, Induktionskochgeräte, PC-Stromversorgungen, erneuerbare Energie (Wind, Fotovoltaik) und Antriebe. Die Berechnungen der CO₂-Einsparungen gründen auf Einsparpotenzialen von Technologien, in denen Halbleiter zum Einsatz kommen. Die Zurechnung eingesparter CO₂-Emissionen erfolgt über den Infineon-Marktanteil, den Halbleiteranteil und die Lebensdauer jeweiliger Technologien, die auf internen und externen Expertenschätzungen beruhen. Solche komplexen ökobilanziellen Betrachtungen sind mit Unschärfe und gewissen Unsicherheiten behaftet, das Ergebnis ist jedoch eindeutig Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 12

14 Industry 4.0 and Energy Efficiency INDUSTRY 1.0 With steam power from the agrarian to the industrial society INDUSTRY 2.0 Using electric power for assembly line and mass production INDUSTRY 3.0 Computerization of production INDUSTRY 4.0 Intelligent networking of humans, machines and products Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 14

15 Energy Control Data Industry 4.0 and Energy Efficiency Building Road to vision Link all units and implement automated self learning controls Production Equipment Production Facility Modelling, simulation and automation along whole production chain Facility Material Gases Chemicals Building Wafer Bring people to next knowledge level Manageable systems Robust equipment Low energy Economic viability Energy Waste Chemicals Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 15

16 Method Balanced Manufacturing Modellierung & Simulation (Virtuell) ISO / EEffG Optimierungsalgorithmus BaMa Tool Chain Vision: Continuous comparison of real and virtual systems to get recommendations to improve operation Reference to real data: BPS Data Planning Data Specifications from OEM Self learnings Cube Maschine Control Cube Gebäude C u b e H e i z u n g Energie-, Material-, Informationsflüsse Cube Transportsystem Measures/data Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 16

17 Initial results INFRA Operation (BaMa Project) Chiller Pilot Energy Efficiency Ratio Stability EER 4,9 Abnormal Signature Normal Signature EER 4,3 Outputs Efficiency EER shows up to 13% losses in efficiency Efficiency of Chiller configuration Motivator and enabler for better system understanding (interdisciplinary know how) Outputs Stability Capability of signature detection Early deviation detection Fast troubleshooting and learning Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 17

18 Industrial Drives Application Segments Low Power Medium Power High Power 1.1 Compact Drives kW Standard Drives Premium Drives kW kW 1.4 High Power Drives 400kW 2MW 1.5 Servo Drives up to ~ 400kW 2 Medium Voltage Drives ~100 kw highest Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. power 18

21 Rectifier converts the AC Grid Voltage to a DC Voltage the standard solution half-controlled Uncontrolled rectifier Pre-charging circuit needed for inrush current limitation Half-controlled rectifier Use thyristors to control inrush current Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 21

22 In Braking Operation Energy has to be removed from DC-link Braking operation DC voltage rises braking energy Remove energy to avoid destruction of DC-link capacitors and semiconductors! Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 22

23 Brake Chopper and Active Front End are 2 possible Solutions Burn energy in a resistor Chopper configuration Feed energy back to the grid Active Front End inverter Energy Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 23

24 A closer look to the Active Front End Solution Energy Active Front End Inverter Energy recovery Power Factor Correction Reduce Harmonic Distortion Typical Applications: Crane, Hoists, Elevators & Escalators Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 3-Level or 2-Level 24

25 du/dt Limitierung (lange Leitungen) A special challenge for Industrial Drives is the limitation of du/dt, necessary to avoid unwanted effects in the motor A critical point that can amplify this effects is a long motor cable Typically the voltage slope at the converter output is limited to ~5kV/µs Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 25

26 Possible Solutions to reduce du/dt du/dt limitation Filter Control of IGBT Converterintegrated (du/dt filter) External (du/dt or sine filter) - Additional losses + No filter needed - Expensive - Additional components c consume space Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 26

27 Driving the IGBT Driver circuit required for each IGBT Paralleling of IGBTs possible to get higher output current Challenge Reinforced isolation mandatory to separate dangerous voltage area from operating humans functional or basic isolation reinforced isolation barrier accessible parts driver 1 driver 2 dangerous voltage Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 27

28 Inverter Solutions in all Power Classes covered by Discretes, IPMs and Modules IPMs 3-phase PIM Discretes Inverter Solutions Sixpack Entire portfolio Dual Switch Single Switch Power 0.2kW 2MW V CES 600V 6500V Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 28

29 Microcontroller The Converter s Brain Tasks of the controller IGBT control (PWM generation) Motor feedback sensing (current, position, speed) Speed, torque and position control Communication (industrial ethernet, CAN ) Solutions for Industrial Drives 32-Bit ARM Cortex -M0 based XMC1000 family Low End 32-Bit ARM Cortex -M4F based XMC4000 family Mid Range 32-Bit TriCore family High End Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 29

30 Semiconductors are the crucial link between the real and digital worlds Added value through the cloud Information and processing Sensors Data Data processing and control Actuators Support/control IT & data security Added value with new business models Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 30

31 Smart industry & biz - factory automation IoT factory automation: selected Infineon offering Advanced sensing capabilities Hall sensors and pressure sensors; for speed, position, angle and pressure measurements Cross-application control XMC microcontrollers; for automation applications Efficient power management MOSFET, drivers, ICs, discretes IGBT power modules, BIP; for industrial controllers and robots Trusted security protection OPTIGA family for protection of IP, Know How and platform integrity M2M SIM and NFC tags for smart assets Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 31

33 Fazit Elektroantriebe sind einer der Eckpfeiler für Industrie 4.0 Das Gesamtsystem muss betrachtet werden Die Leistungselektronik bietet Komponenten für Inverter von 1 W bis 100 MW Drehzahlgeregelte Antriebe bieten ein enormes Energieeinsparpotential Neue Investitionen nur mit neuer Technik (die nächste Chance kommt vielleicht erst 30 Jahre später) Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. 33

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