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Die Fertigung von Leistungsmodulen steht vor neuen Herausforderungen: Es wird weltweit immer wichtiger, unterschiedlichste Varianten in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich produzieren zu können. Deswegen beteiligt sich das Fraunhofer ISIT an dem Forschungsprojekt FlaMe. Zusammen mit Ihren Partnern wollen die ISIT-Wissenschaftler in dem Projekt neue Technologien einsetzen und den Prozess der Fertigung von Leistungsmodulen deutlich nachhaltiger gestalten.
Eine Industriemaschine ist ebenso auf sie angewiesen wie ein Elektroauto, ein Datenzentrum oder Ladestationen – die Rede ist von der Leistungselektronik. Schaltende Leistungsmodule sorgen dafür, dass Stromquelle und Stromverbraucher miteinander kompatibel sind und elektrische Geräte funktionieren können. Je nach Anwendung müssen diese Leistungsmodule unterschiedlichste Anforderungen erfüllen. Während die Zahl an kundenspezifischen Produktvarianten stetig steigt, gehen die daran geknüpften Stückzahlen zurück.
WBG-Halbleiter und neue Fertigungsprozesse sparen signifikant Energie ein
Gut ein Drittel der in Deutschland verbrauchten Energie entfällt auf die Industrie. Energieeffiziente Leistungsmodule und deren energieeffiziente Fertigung gewinnen daher an Bedeutung. Halbleiter mit weitem Bandabstand (eine physikalische Kenngröße von Transistoren; engl.: Wide-Bandgap, kurz: WBG), die in den Leistungsmodulen verbaut werden, können hierzu einen entscheidenden Beitrag leisten.
Konventionelle Halbleiter bestehen aus Silizium, WBG-Halbleiter aus Siliziumcarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN). Die neuen Materialien reduzieren Energieverluste um mehr als 45 Prozent. Ausgehend vom gesamten Leistungsmodul-Markt bedeutet dies potenzielle Energieeinsparungen von bis zu 100 Terawattstunden im Wirtschaftsraum Europe, Middle East, Africa (EMEA) sowie bis zu 25 Terawattstunden in den USA bis ins Jahr 2025. Zusammen macht dies etwa ein Fünftel der elektrischen Energie aus, die ganz Deutschland in einem Jahr benötigt.
Würden Leistungsmodule zudem in einem optimierten Prozess hergestellt, ließen sich auch bei deren Fertigung bis zu 20 Prozent Energie einsparen. Daran arbeiten nun die Projektpartner Siemens, Precitec Optronik, Precitec, F&K DELVOTEC Bondtechnik, sowie als wisssenschaftliche Partner die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und die Technische Universität München zusammen mit dem Fraunhofer ISIT, im aktuell gestarteten Forschungsprojekt FlaMe.
Neuer Produktionsprozess für Leistungsmodule ist flexibler und vollautomatisiert
Mit dem Forschungsprojekt FlaMe wollen die Projektpartner auf die Anforderungen der Industrie eingehen, kundenspezifische Leistungsmodule bei kleinen Losgrößen wirtschaftlich, qualitativ hochwertig sowie energieeffizient produzieren zu können.
Dazu ersetzen die Wissenschaftler das konventionelle Produktionsverfahren durch eine hochflexible und vollautomatisierte Fertigung. Hierbei fallen einige energieintensive Herstellungsschritte wie etwa Lötofen-Prozesse weg. Dementsprechend wird weniger Energie benötigt und die Produktionskette verkürzt sich.
Ein Fokus von FlaMe liegt darauf, neue Technologien im Fertigungsprozess einzusetzen. Dazu zählen insbesondere das laserbasiertee Drahtbonden, das Plasmasprühen und die 3D-Druck-Technologie. Diese ermöglichen es, den Energieeintrag zu kontrollieren und zielgerecht zu steuern.
Höchste Präzision: Industrieroboter mit Sensorik und künstlicher Intelligenz kombinieren
Qualitativ hochwertige Leistungsmodule herzustellen, erfordert sicherete und sehr präzise Fertigungsschritte. Bei der Fertigung mehrerer Produktvarianten, noch dazu in geringerer Stückzahl, müssen die Anlagen und Werkzeuge zudem häufig angepasst oder umgebaut werden.
Um die Fertigungsverfahren zu optimieren, will das Team hinter FlaMe innovative Industrieroboter sowie hochgenaue optische, thermische und akustische Sensoren einsetzen. So lässt sich der Prozess präzise steuern, relativ einfach modifizieren und ganzheitlich überwachen.
Mithilfe KI-basierter Methoden werten die Forschenden Prozessdaten aus und kombinieren sie mit unterschiedlichen Sensorsignalen. Die Prozessergebnisse lassen sich damit genauer vorhersagen und Produktvarianten einfacher herstellen. Anstatt aufwändiger mechanischer Umbauten sind damit zukünftig lediglich Softwareanpassungen nötig.
FlaMe will nachhaltige Produktion fördern und Ressourcen effizienter nutzen
FlaMe soll nicht nur den Produktionsprozess flexibilisieren und energieeffizienter machen, sondern auch dabei helfen, Materialien nachhaltig einzusetzen und einzusparen. Einige Komponenten eines Leistungsmoduls bestehen aus Aluminium. Dieses wollen die Projektpartner nun durch Kupfer ersetzen. Kupfer sorgt für eine deutlich höhere Leistungsdichte sowie eine längere Lebensdauer des Leistungsmoduls. Beide Aspekte bewirken, dass sich die Anzahl benötigter Module insgesamt reduziert. Damit sinkt der Energieverbrauch sowohl bei der Rohstoffgewinnung als auch in der Anwendung. Nach Ende der Lebensdauer sind die reinen Kupferverbindungen einfacher wiederverwendbar. Das Forschungsprojekt FlaMe leistet damite einen wichtigen Beitrag für die nachhaltige Produktion und den nachhaltigen Einsatz von Leistungsmodulen.
Wo Leistungsmodule mit WBG-Halbleitern eingesetzt werden:
Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sind Wide-Bandgap-Halbleiter prädestiniert, überall dort eingesetzt zu werden, wo hohe Leistungen und hohe Schaltfrequenz beziehungsweise hohe Signalgüte gefragt sind. Letzteres bedeutet, dass das Signal sehr regelmäßig ohne Schwankungen auftritt. Für hohe Leistungen und moderate Schaltfrequenzen eignet sich Siliziumcarbid als WBG-Halbleitermaterial. Solch hohe Leistungen treten etwa im Schienenverkehr, bei Elektroautos oder bei Windanlagen auf. Wechselrichter von kleineren Solaranlagen, Netzteile oder Rechenzentren legen den Schwerpunkt eher auf hohe Schaltfrequenzen beziehungsweise sehr hohe Signalgüte des Ausgangssignals. Hier eignet sich insbesondere Galliumnitrid als WBG-Halbleitermaterial. Dies verarbeitet geringere Leistungen und hohe Schaltfrequenzen zu hochwertigen Ausgangssignalen und verbessert damit die Energieeffizienz der versorgten elektrischen Geräte deutlich.
Dr. Michael Mensing
Gruppenleiter | Hocheffiziente Leistungstransistoren
Telefon +49 4821 17-4331
Email michael.mensing@isit.fraunhofer.de
Wafer mit den IGBT-Halbleiter-Leistungsbauelementen
photocompany Itzehoe
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Fraunhofer ISIT entwickelt für das Projekt die IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Wissenschaftler
Elektrotechnik
überregional
Forschungsprojekte
Deutsch
Wafer mit den IGBT-Halbleiter-Leistungsbauelementen
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Fraunhofer ISIT entwickelt für das Projekt die IGBT - Insulated Gate Bipolar Transistor
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