Diese Gruppe wurde gegründet, um die gesamte Erfahrung von SEMIKRON aus fast 20 Jahren Erfahrung in der Bereitstellung integrierter Stromversorgungssysteme zu bündeln. Anfänglich wurden nur Leistungsmodule und Treiber angeboten, mittlerweile umfasst das Integrationsniveau auch Steuerelektronik, sodass die Geräte für die Integration von Kundensoftware und den Einsatz als Komplettsystem vorbereitet sind.
SKAI-Stromversorgungssysteme bieten einen hohen Integrationsgrad und deutliche Vorteile gegenüber anderen Systemen. Sie wurden entwickelt, um die anspruchsvollsten Standards und Qualifizierungssysteme der Automobilindustrie zu erfüllen, wodurch die Entwicklungskosten gesenkt und die Markteinführungszeit verkürzt werden. SKAI-Systeme werden als Standardplattformen auf Basis von Niederspannungs-MOSFETs oder Hochspannungs-IGBTs geliefert. Darüber hinaus können SKAI-Systeme kundenspezifisch angepasst werden.
Ein System, drei Typen
Das Hochvolt-System SKAI2 ist in 600-V- und 1200-V-Versionen mit IGBTs und Wasserkühlung erhältlich. Es wurde für Anwendungen wie vollelektrische Pkw sowie Elektro- und Hybridbusse optimiert. Das System basiert auf den vollständig lötfreien SKiM93-Modulen und umfasst einen Polypropylen-Kondensatorbus, Triggertreiber, einen modernen DSP-Controller, EMV-Filter sowie Strom-, Spannungs- und Temperatursensoren. All dies ist in einem IP67-geschützten Gehäuse integriert. Die Kommunikation mit der zentralen Steuereinheit erfolgt über einen CAN-Bus. Diese Systeme sind für Leistungen bis zu 150 kW ausgelegt (siehe Abbildung 1 und Abbildung 2).
Die Niederspannungsversion verfügt über Wasser- oder Luftkühlung und ist mit 50-, 100-, 150- oder 200-V-MOSFETs ausgestattet. Verfügbare Topologien umfassen Dreiphasen-Wechselrichter und Back-to-Back-Schaltungen (doppelte Dreiphasen-Wechselrichter). Diese Systeme werden hauptsächlich in Industriefahrzeugen wie z. B. Elektrogabelstaplern eingesetzt. Die Ausgangsleistung dieser Geräte kann bis zu 40 kW betragen. Darüber hinaus bieten sie die gleichen Funktionen wie das IGBT-System, sodass Kunden von der Verwendung desselben Steuerungssystems, derselben Anschlüsse und mechanischen Komponenten profitieren.
Der dritte Typ von SKAI 2 ist ein wassergekühltes Mehrwandlersystem. Ein typisches Mehrwandlersystem umfasst einen aktiven 40-kVA-Eingangswandler, einen 20-kVA-Drehstromwechselrichter, einen 10-kVA-Drehstromwechselrichter und einen 14-V/300-A- oder 28-V/165-A-DC/DC-Wandler (siehe Abbildung 3 und Abbildung 4).
Alle SKAI2-Module wurden mithilfe verschiedener Methoden, wie z. B. beschleunigten Lebensdauertests (HALT), Zuverlässigkeitsprüfungen und Lebensdauertests, qualifiziert, um die Einhaltung aller geltenden Vorschriften der Automobilindustrie sicherzustellen. Die thermische und elektrische Kontaktierung erfolgt mittels Druckkontakttechnologie, was die Produktlebensdauer und die Beständigkeit gegen Ermüdungsbrüche deutlich erhöht. Halbleitersysteme und -komponenten werden mit modernsten Verfahren gefertigt, die Funktionstests nach der Produktion und, falls erforderlich, Burn-in-Tests umfassen und so ein hohes Qualitätsniveau gewährleisten.
Innovative Technologien
Viele Faktoren beeinflussen die Effizienz und Zuverlässigkeit von Stromversorgungssystemen.
Um maximale Effizienz hinsichtlich Kosten, Platzbedarf und Leistung sowie hohe Zuverlässigkeit zu erreichen, ist die optimale Kombination aus Chips, Gehäuse, mechanischem Design und thermischer Leistung entscheidend. Dies kann sich als komplex erweisen, wenn der Entwickler auf Standard-Systeme zurückgreifen muss, da die Optimierung der Chipauswahl und die korrekte Herstellung der elektrischen Verbindungen für eine optimale Systemleistung unerlässlich sind.
Viele Systemhersteller konzentrieren sich auf eine einzelne Technologie, wie MOSFETs oder IGBTs, oder auf Anwendungen, die nur eine Spannungsebene benötigen. Die vielfältigen Anforderungen moderner Systeme machen die Wahl der richtigen Halbleitertechnologie für jede Anwendung jedoch entscheidend. Als führender Hersteller von Leistungshalbleitern kann SEMIKRON in Bereichen wie Größe und Temperatur neue Maßstäbe setzen. So fertigt SEMIKRON beispielsweise große Stückzahlen von IGBT- und MOSFET-Treibern und hat auf Basis dieser Expertise dedizierte integrierte Schaltungen (ASICs) entwickelt, die die Systemgröße und die Bauteilliste deutlich reduzieren und gleichzeitig die Zuverlässigkeit erhöhen.
Die neuesten Entwicklungen in der Leistungselektronik zielen auf höhere Stromdichten, verbesserte Systemintegration und gesteigerte Zuverlässigkeit ab. Gleichzeitig besteht Bedarf an standardisierten und kostengünstigeren Schnittstellen sowie an flexiblen und modularen Produkten. SEMIKRON hat mit dem Einsatz von Federkontakttechnologie für elektrische Verbindungen in diesem Bereich Maßstäbe gesetzt.
Die Zuverlässigkeit klassischer Leistungsmoduldesigns ist für viele moderne Anwendungen der Leistungselektronik unzureichend. Beispielsweise weisen diese Module eine begrenzte Beständigkeit gegenüber Temperaturwechseln auf. Daher ist die Entwicklung neuer Verfahren notwendig, um die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen moderner Anwendungen zu erfüllen.
Ein weiterer wesentlicher Faktor, der die Lebensdauer von Leistungsmodulen begrenzt, ist die Lötstellenermüdung. Bei herkömmlichen Designs trägt diese Ermüdung maßgeblich zum Ausfall der Leistungsmodule bei, insbesondere bei großen Betriebstemperaturschwankungen, die in vielen Anwendungen üblich sind. Es wurden verschiedene Technologien entwickelt, um Lötverbindungen zu eliminieren. Jede bietet zwar nur geringfügige Vorteile gegenüber dem klassischen Design, doch die Kombination dieser Technologien führt zu deutlichen Verbesserungen.
Das Hauptproblem, das durch hohe Temperaturen und Temperaturwechsel verursacht wird, ist die Delamination der Lötverbindung. Dieses Problem wurde in SKAI-Systemen durch den Einsatz der Sintertechnologie vollständig gelöst. Mit dieser Technologie werden die Halbleiterchips mit dem Keramiksubstrat verbunden. Dadurch kann SKAI bei höheren Temperaturen mit verbesserter Zuverlässigkeit betrieben werden.
Die Sinterverbindung besteht aus einer dünnen Silberschicht, die bessere thermische Eigenschaften als eine Lötverbindung aufweist. Darüber hinaus tritt keine Delamination auf, was zu einem konstant niedrigen Wärmewiderstand über Zehntausende von Leistungs- und Temperaturzyklen hinweg führt. Der hohe Schmelzpunkt von Silber beugt zudem Materialermüdung vor.
SKAI 2-Systeme sind mit oder ohne Steuerungssoftware erhältlich. Bei Bedarf entwickelt SEMIKRON gemeinsam mit seinen Kunden die passende Software. Alternativ kann der Kunde auch seine eigene Software einsetzen. Dies bietet ihm maximale Flexibilität und ermöglicht die Fertigung von Anlagen mit individuellen Funktionen.
Der SKAI 2 in landwirtschaftlichen Fahrzeuganwendungen
Diese Systeme kommen auch in Fahrzeugen für landwirtschaftliche Anwendungen, wie beispielsweise Traktoren, zum Einsatz.
So wollte ein Traktorenhersteller ein elektrisches Antriebssystem entwickeln, um den Kraftstoffverbrauch und die Geräuschentwicklung seiner High-End-Traktoren zu reduzieren.
Bis dahin waren die Zusatzgeräte der Traktoren mechanisch über Zahnräder mit dem Hauptmotor/Generator verbunden. Dies verhinderte einen optimalen Betrieb der Zusatzsysteme, was zu geringerer Effizienz und erhöhtem Kraftstoffverbrauch führte. Ziel war es, alle Zusatzgeräte vom Hauptmotor zu entkoppeln. Um dies zu erreichen, wurde ein Generator an den Hauptmotor angeschlossen, der die benötigte elektrische Energie erzeugt. Ein Spannungswandler wurde an diesen Generator angeschlossen, um den optimalen Betrieb von Lüfter, Luftkompressor, Klimaanlage und der vorhandenen 14-V-Bordnetzung des Traktors sicherzustellen.
Um die Kundenspezifikationen zu erfüllen, wurde auf Basis des SKAI-Multikonvertersystems ein hochintegriertes Stromversorgungssystem entwickelt. Dieses System umfasst mehrere Leistungswandler, die den elektrischen Energiefluss zwischen den verschiedenen Systemen steuern. Es kann von einem Drehstromgenerator oder einem Gleichstromzwischenkreis gespeist werden und kommuniziert über einen CAN-Bus mit dem Hauptsteuerungssystem des Fahrzeugs. Die im System integrierten Halbleiterkomponenten stammen aus der äußerst zuverlässigen MiniSKiiP-Familie.
Die Kombination verschiedener technischer Lösungen führt zu reduziertem Kraftstoffverbrauch, geringeren Emissionen und niedrigeren Geräuschen.
Integrierte Energiesysteme
Auf dem Weg zu einer stärkeren Integration von Stromversorgungssystemen wurden bereits viele Verbesserungen erzielt. Um die Marktpräsenz integrierter Stromversorgungssysteme weiter auszubauen, sind jedoch zusätzliche Fortschritte hinsichtlich Zuverlässigkeit, Effizienz, Größe und Vielseitigkeit erforderlich. Die
Systems Group von SEMIKRON bündelt ihre umfassende Expertise in einer einzigen Arbeitsgruppe und bietet ihren Kunden so ein hohes Maß an Integration, verbesserte Kühltechniken für die Geräte, gesteigerte ASIC-Leistung und innovative Gehäusetechnologien.
Neue Chip-Isolationssysteme, neue Methoden zur Befestigung von Chips auf dem Modul und zukünftig der vollständige Verzicht auf Drahtbondverbindungen werden die Zuverlässigkeit und Effizienz dieser Systeme weiter verbessern.
Autor: Paul Newman, Geschäftsführer, SEMIKRON UK Ltd.
