Power Electronic Systems

Die Gruppe Power Electronics Systems beschäftigt sich mit zwei Hauptgebieten im Bereich der Leistungselektronik: Der Aufbau- und Verbindungstechnik leistungselektronischer Systeme und der elektromagnetischen Verträglichkeit in der Leistungselektronik. Durch die Vereinigung dieser beiden Arbeitsgebiete in einer Gruppe und der daraus folgenden Vernetzung von Wissen kann eine breite Palette an Dienstleistungen angeboten werden.

Die Umsetzung neuartiger Vorhaben zum Aufbau von Leistungsmodulen wird stetig vorangetrieben. Innovative Konzepte für anspruchsvolle Anwendungen zum Beispiel in der Luftfahrt und der Automobilindustrie werden mit dem Kunden zusammen erarbeitet und umgesetzt. An dieser Stelle arbeiten wir eng mit anderen Abteilungen am Institut zusammen.

Elektromagnetische Störungen in Hybrid- oder Elektroautos sind derzeit ein großes Thema, ebenso wie die Entwicklung von Entwurfswerkzeugen zur umfassenden Modellierung eines Leistungsumrichters, sowohl elektromagnetisch als auch elektrisch und thermisch. Elektrische Störphänomene werden messtechnisch und mit Simulationen untersucht.

Forschungsschwerpunkte

Niederinduktive Packages für schnell schaltende Halbleiter

Die Grundlage für kleine Umrichter mit hoher Leistungsdichte

Niederinduktive Packages für schnell schaltende Halbleiter | Fraunhofer IZM
© Fraunhofer IZM

Die Entwicklung sehr schnell schaltender Halbleiter auf Siliziumcarbid (SiC)- und Galliumnitrid (GaN)-Basis bietet die Möglichkeit, Standardleistungsumrichter neu zu erfinden. Dabei ist es nicht zielführend, siliziumbasierte Halbleiter in einem Standardgehäuse einfach zu ersetzen. Das erhöht lediglich die Systemkosten und steigert die Leistungsfähigkeit allenfalls minimal.

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Aufbau- und Verbindungstechnik für die Leistungselektronik

Aufbau- und Verbindungstechnik für die Leistungselektronik
© Fraunhofer IZM

Der Aufbau von Leistungsmodulen umfasst heute nicht nur das flächige Löten und Al-Dickdrahtbonden. Neue Aufbaukonzepte mit optimiertem thermischen Design wie die doppelseitige Kühlung sind genauso in der Entwicklung wie neue Verbindungstechnologien, von denen man sich eine höhere Lebensdauer erhofft.

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Embedding-Leiterplattentechnologien für die Leistungselektronik

Embedding PCB Technologies for Power Electronics
© Fraunhofer IZM | Volker Mai

Die Miniaturisierung und das Packaging von Leistungselektronik durch die Einbettung der Halbleiter in die Aufbaulagen einer Leiterplatte haben in den vergangenen Jahren eine beachtliche Entwicklung durchlaufen. Neben der Kommerzialisierung und ersten Produkteinführungen werden jedoch weiterhin unterschiedliche weitergehende Konzepte und ihre wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen entwickelt und erprobt.

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Kompakte Umrichter mit hoher Leistungsdichte

Die neu entwickelte Halbleitergeneration auf Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Basis bietet auf Systemebene angesichts ihrer geringen Schaltverluste die Möglichkeit, die Schaltfrequenzen von leistungselektronischen Systemen signifikant zu erhöhen. Dadurch kann die Baugröße der passiven Energiespeicher, vor allem der induktiven Bauteile, reduziert werden, weil nicht mehr so viel Energie zwischengespeichert werden muss. Der Fokus im ECPE-Lighthouse-Projekt "Industrial Demonstrator on System Level" lag in einer zusätzlichen Erhöhung der Leistungsdichte durch Innovationen in der Filtertopologie, der Steuerung der Halbleiter und der Pareto-Front-Optimierung des Gesamtsystems.

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Schaltverluste von Wide-Bandgap Halbleitern messen

© Fraunhofer IZM

Schaltverluste von Wide-Bandgap Halbleitern messen? Ohne zusätzliche Parasiten unter realen Bedingungen?

Klassische Methoden Schaltverluste zu messen, wie der Doppelpuls, verwenden die Messung des Stromes durch den Halbleiter und dessen Spannungsabfall im Schaltmoment. Die parasitären Effekte der Messgeräte beeinflussen die Messungen negativ, sodass die angezeigten Schaltverluste nicht der Realität entsprechen.

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Leistungsmodul mit Substrat-Wasserkühlung für die Formel 1

Exponate - Messe - Leistungsmodul mit Substrat-Wasserkühlung
© Fraunhofer IZM

Die wichtigsten Eigenschaften eines Leistungsmoduls für die Formel 1 sind eine höchstmögliche Leistungsdichte und ein geringes Gewicht. Volumen und Gewicht des vorgestellten Wandlers konnten im Vergleich zu früheren Versionen um ca. 50% reduziert werden. Dieser am Fraunhofer IZM gefertigte AC-DC-Wandler zur Energierückgewinnung verwendet eine direkte Substrat-Wasserkühlung, um Gewicht und Volumen zu minimieren und gleichzeitig einen geringen thermischen Widerstand durch einen kurzen thermischen Pfad zu gewährleisten.  

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On-Board-Charger in drei Liter Volumen – Packaging macht’s möglich

on-board charger
© Fraunhofer IZM | Volker Mai

Für die E-Mobilität ist das Laden an öffentlichen Wechselstrom -Netzen eine Herausforderung. Am Fraunhofer IZM ist es nun gelungen, jüngste Errungenschaften aus dem Bereich der Leistungselektronik für die nächste Generation der On-Board- Charger zu kombinieren. Bidirektionale Ladevorgänge bis zu 22 kW werden durch richtungsweisende PCB- und Packaging- Lösungen ermöglicht, die zudem eine maschinelle Fertigung erlauben.

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Broschüren

Publica

Veröffentlichungen

Hier finden Sie weiterführende Literatur zum Thema Power Electronic Systems

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