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www.elektronikjournal.com
Das Themen-Magazin von all-electronics
Leistungsbauteile
Roundtable Galliumnitrid oder
Siliziumkarbid: Welches Halbleitermaterial
löst Silizium ab? Seite 16
Powermanagement
Der digital geregelte BMR463 von
Ericsson Power Modules überzeugt
mit hohem Wirkungsgrad Seite 46
Mai 2011
elektronik
Leistungselektronik
Passive Bauelemente
Wärmeschutzbaustein von TE
Connectivity verhindert Power-
FET-Ausfälle im Kfz Seite 64
Einen Schritt voraus
Aufbau- und Verbindungstechnik
optimiert Leistungselektronik Seite 12
Anzeige

Editorial
Swing, when you’re
winning...
Swing, when you’re winning ist Robbie Williams’ Hommage an Swing-
Meister Frank Sinatra. Das Album mit der fürs neue Jahrtausend eher
ungewöhnlichen Musikrichtung erreichte auf Anhieb einen Spitzenplatz
in den deutschen Charts. Das ist eine Weile her, aber hier und
heute haben die Macher der Mesago derzeit den absoluten Schwung, wenn es
um´s Gewinnen geht: Sowohl PCIM Europe als auch PCIM Asia gehören dank
„Green Energies“ eindeutig zu den Siegern. Die drei großen Trends der nach
der Wirtscha� skrise wieder deutlich
wachsenden Branche heißen Energiee�
zienz, E-Mobility sowie Smart Grid,
und deren Erfolg spiegelt sich in den
Veranstaltungen in Nürnberg sowie
Shanghai wider.
Stefanie Eckardt
ist Redakteurin für den Bereich
Leistungselektronik beim
elektronikJOURNAL
Nicht ganz so tanzfreudig, zumindest
was den Bereich Elektromobilität angeht,
dür� e die deutsche Auto industrie
sein. Hier sehen die Bewegungen
doch recht abgehackt aus, sprich, es
läu� noch nicht rund. Für ein Land,
das den Anspruch hat, 2020 ein Leitmarkt
für Elektromobilität sein zu
wollen, muss neun Jahre vor dem
Stichtag erheblich mehr kommen. Die USA, Frankreich und Japan (zumindest
was den Stand vor Fukushima betraf) sind uns um eine Nasenlänge voraus
und auch China setzt zum Überholen an. Wohin die Richtung weisen könnte,
zeigt der Beitrag auf Seite 76.
Stichwort China. Wer an das Reich der Mitte im Zusammenspiel mit (Leistungs-)Elektronik
denkt, hat o� Plagiate oder billige Komponenten im Kopf,
die schnell ihren Geist aufgeben. Vielleicht nicht ganz zu Unrecht, aber auch
hier hat sich ein Umdenken vollzogen: Energiee� zienz, Umweltbewusstsein
und Qualität stehen im Fokus, die Au� oljagd in Bezug auf hochwertige Leistungsbausteine
hat begonnen. Mehr dazu auf den Seiten 6 bis 11.
Galliumnitrid oder Siliziumkarbid? Wer seine Leistungshalbleiter energiee� -
zienter designen will, kommt um die Materialfrage nicht mehr herum. Schließlich
stößt Silizium mittlerweile an seine physikalischen Grenzen. Warum es
trotzdem noch nicht zum alten Eisen gehört und sich die Frage GaN oder SiC
nicht einfach schwarz-weiß betrachten lässt, haben Experten im elektronik-
JOURNAL-Roundtable Leistungselektronik diskutiert. Die Ergebnisse � nden
Sie ab Seite 16. In diesem Sinne viel Spaß beim Lesen!
Rundum
energieeffi zient
Effi zientes Energiemanagement ist eine der
großen Herausforderungen der Zukunft, der
sich Panasonic Electric Works mit gezielten
Neuentwicklungen stellt. Unsere Komponenten
spielen heute in den Bereichen Energiegewinnung,
-speicherung, -verteilung und
-verbrauch eine wesentliche Rolle:
� Leistungsrelais und DC-Schütze erfüllen
die besonderen Anforderungen für den
Einsatz in Photovoltaikanlagen
� PhotoMOS, bistabile Leistungsrelais und
ECO-Power-Meters für Smart Metering
machen den Energieverbrauch transparent
� Die neueste Generation der PIR-Sensoren
„PaPIRs“ überzeugt durch miniaturisierte
Bauform und hohes Energiesparpotenzial
Panasonic Komponenten –
für eine grüne Zukunft.
Panasonic Electric Works
Europe AG
stefanie.eckardt@huethig.de
Tel.: +49 (0) 8024 648-0
Fax: +49 (0) 8024 648-111
info-de@eu.pewg.panasonic.com
www.elektronikjournal.com www.panasonic-electric-works.de
elektronikJOURNAL 02 / 2011 3

Inhalt
Mai 2011
Coverstory
12
Märkte und Technologien
06 Der Weg ist das Ziel
Elektronikentwicklung in China
10 Shanghai Noon
PCIM Europe und PCIM Asia:
Die Leistungselektronik boomt
Coverstory
12 Einen Schritt voraus
Aufbau- und Verbindungstechnik
optimiert die Leistungselektronik
Superlink
12 Semikron
www.semikron.com
Einen Schritt voraus
Applikationsbereiche, wie regenerative Energien oder
Elektromobilität, sowie Themen, wie Energieeinsparung,
lassen sich ohne die entsprechende Leistungselektronik
nicht bewerkstelligen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die
optimale Aufbau- und Verbindungstechnik.
Leserservice infoDIREKT:
Zusätzliche Informationen zu einem Thema erhalten
Sie über die infoDIREKT-Kennziffer. So funktioniert’s:
• www.elektronikjournal.com aufrufen
• Im Suchfeld Kennziffer eingeben, suchen
Leistungsbauteile
und Powermodule
16 Über den Dächern von München
Roundtable: GaN und SiC im Vergleich
22 Geschüttelt, nicht gerührt
Trench-Mosfets in schnellschaltenden
Applikationen
26 Phönix aus der Asche
GaN-on-Si-Leistungsmosfets designen
30 Let the sun shine
Power-Module für Photovoltaik
34 SiC transit gloria Silizium
Schaltverluste mit 1200-Volt-
SiC-Mosfet reduzieren
35 Neue Produkte
Stromversorgungen
und Powermanagement
36 Ausgebremst
DC/DC-Wandler mit SFB-Technologie
40 Unter schwarzer Flagge
Markenpiraterie: Fälschungen im
Elektronikbereich bekämpfen
42 Highlights
National Semiconductor, Linear Technology,
Recom Electronic, MTM Power
Über den Dächern von München
Seit über 50 Jahren ist Silizium der Baustoff von Leistungstransistoren,
stößt aber mittlerweile an seine physikalischen Grenzen. Was
kommt danach? Mit Galliumnitrid und Siliiziumkarbid stehen zwei
vielversprechende Halbleitermaterialien in den Startlöchern.
Schwarze Flagge
Markenpiraterie – das
Thema ist nicht neu. Im
Elektronikbereich kann das
nicht nur unangenehm,
sondern auch gefährlich
werden, wenn der
Sicherheitsbereich
betroffen ist.
4 elektronikJOURNAL 02 / 2011
www.elektronikjournal.com
16
40
46 Digitales Zeitalter
Leistungsdichte und -fähigkeit
mit digitalem PoL-Wandler steigern
50 Übung macht den Meister
Intermediate-Bus-Spannung erhöhen
54 Durstlöscher
Power-Management spart Energie
56 Der Würfel ist gefallen
Effizienter 1-Watt-DC/DC-Wandler
durch Würfelform
Passive und E-Mechanik
60 Das heiße Eisen schmieden
Bessere Entstöreigenschaften durch
weichmagnetische Werkstoffe
64 Born to protect
Wärmeschutzbausteine verhindern
Power-FET-Ausfälle im Kfz
67 Highlights
Epson, Metallux, The Bergquist
69 Neue Produkte
Antriebstechnik
70 Eine Frage des Profils
Motorstart: Auf Anlaufstrom
und Lastprofil achten

76
73 Highlights
ABB, B&R, Groschopp, Vacon
76 Where do we go from here?
Elektromobilität im Fokus
der Leistungselektronik
80 Neue Produkte
Rubriken
03 Editorial
Swing, when you’re winning
80 Impressum
82 Verzeichnisse
www.elektronikjournal.com
60
Das heiße Eisen
schmieden
Weichmagnetische
Werkstoffe haben an
Bedeutung gewonnen: Sie
tragen zur verlustarmen
Energieübertragung bei
oder sorgen für einen
störungsfreien Betrieb.
Where do we go from here?
Bis 2020 sollen etwa eine Million Elektroautos über
Deutschlands Straßen rollen. Ein frommer Wunsch? Es
muss einiges passieren, damit Leistungselektronik, Infra-
struktur, Sicherheit und Batterietechnologie dazu passen.
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neuen Power-
Module der Serie LMZ2.
Die neuesten Mitglieder der SIMPLE SWITCHER Power-Modul-
Familie sind für Lastströme bis zu 10 A ausgelegt. Sie bieten
Frequenzsynchronisation und Parallelschaltung, und die gleichen
Gehäusevarianten sind untereinander pinkompatibel. Die neuen
Module sind auf Nationals Online-Designumgebung WEBENCH ®
Mit ihrer hohen Ausgangsleistung eignen sich die
neuen SIMPLE SWITCHER
Power Architect verfügbar.
® Power-Module für eine
noch breitere Palette von Power-Designs.
Bis 10 A Ausgangsstrom
Die neuesten Power-Module (LMZ2xxxx) sind für 3 A, 5 A, 8 A
und 10 A Ausgangsströme ausgelegt und können an maximalen
Eingangsspannungen von 20 V oder 36 V betrieben werden.
Frequenzsynchronisation
Optimieren Sie die Effizienz und begrenzen Sie Schaltstörungen in
sensiblen Systemen auf ein Minimum durch die Synchronisation
mehrerer Module mit derselben Taktfrequenz.
Parallelschaltung
Zur Bereitstellung von Zwischenkreisspannungen mit hohem
Strombedarf und für FPGA-Applikationen lassen sich
Ausgangsströme bis zu 60 A realisieren.
national.com/switcher

Märkte und Technologien
Der Weg ist das Ziel
Aufschwung Ost: Elektronikentwicklung im Reich der Mitte
China auf der Überholspur: Mehr als ein Viertel der weltweit hergestellten elektronischen Geräte werden hier
gefertigt. Tendenz steigend! Auch in den Boombereichen Elektromobilität und erneuerbare Energien investieren
die Chinesen stark. Stellt sich die Frage: Gräbt uns China so langsam das Wasser im Bereich der Elektronikentwicklung
ab? Und mit wem haben wir es eigentlich zu tun? Autorin: Stefanie Eckardt
6 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com
Bild: jonasginter - Fotolia

Bild: Infi neon
Lady, Lady, do you want to buy a bag, a watch, a mobile?“
Wer das erste Mal die Anpreisungen diverser Straßenverkäufer
hört und sich zwischen Wolkenkratzern mit Leuchtreklame
wieder� ndet, kann es nicht glauben, dass er sich
gerade in der Volksrepublik China au� ält. „Erzähle mir die Vergangenheit
und ich werde die Zukun� erkennen“, wusste schon
Konfuzius. Zwischen Tradition und Moderne, zwischen Kommunismus
und Kapitalismus – das sind die tre� endsten Aussagen, die
sich derzeit über das Reich der Mitte sagen lassen. Mit der zunehmenden
Verwestlichung einher gehen auch Statussymbole: Elektronische
Geräte, wie Smartphones, hochfunktionale Digitalkameras
oder MP3-Player, gehören hier dazu.
China, die große Unbekannte?
Laut Einschätzung des ZVEI ist China seit 2009 größtes Abnehmerland
für Halbleiterbauelemente. Inzwischen werden hier mehr
als ein Viertel der weltweiten elektronischen Geräte gefertigt. Und
die Tendenz ist steigend, betont Dr. Ulrich Schäfer von Robert
Bosch und ZVEI-Vorsitzender der Fachgruppe I Halbleiter. Auch
bei den mittleren Wachstumsraten steht China mit einem Wert
von 20 Prozent an der Spitze. Zudem wächst die Fab-Kapazität im
Reich der Mitte erheblich, was hauptsächlich Foundries zu verdanken
ist. Also: „Asien – und hier insbesondere China – hat die führende
Rolle bei der Produktion von Halbleitern und elektronischen
Geräten in der Welt übernommen“, fasst Dr. Schäfer zusammen.
Scheint, als ob der Markt China nicht so unbekannt ist. Das bestätigt
auch Udo Weller, Geschä� sführer der Mesago PCIM: „Für
1, 2, Leiterplatte!
Von der Idee über das strukturierte Board zur fertigen Leiterplatte!
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Bild: Puls
Auf einen Blick
Märkte und Technologien
Energieeffi zienz im Blick
China nimmt Schwung: Billige Komponenten und Plagiate sind zwar
nicht vom Markt verschwunden, aber im Reich der Mitte hat sich ein
Umdenken vollzogen. Energieeffi zienz, Umweltbewusstsein und Qualität
stehen im Fokus, die Aufholjagd in Bezug auf hochwertige Leistungsbausteine
hat begonnen. Und das gar nicht mal so schlecht,
wenn man die Entwicklungen im Bereich E-Mobility oder erneuerbare
Energien betrachtet. Die Zahlen belegen das eindrucksvoll.
infoDIREKT www.all-electronics.de 102ejl0211
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02 / 2011 7
Bild: ZVEI
uns ist China nicht mehr ganz so unbekannt wie noch vor Jahren.
Durch den intensiven Kontakt mit vielen internationalen Unternehmen,
die dort tätig sind und mit den chinesischen Marktführern,
ist uns mittlerweile dieser Markt sehr vertraut.“ Weller weist
vor allem auf einen Fakt hin: „Dieser Markt wächst enorm schnell.
Nicht allein die weltweite Nachfrage, sondern vor allem die enormen
Investitionen der chinesischen Regierung in Abnehmerindustrien
der Leistungselektronik befeuern diesen Markt.“
Auf gesteigerten Energiebedarf reagieren
Das Reich der Mitte gilt mit 1,3 Milliarden Einwohnern als das
bevölkerungsreichste Land der Erde. Problem: Diese haben einen
entsprechenden Energiebedarf und der wächst stetig – vor allem in
Bild: Mesago PCIM
Sehen in China zukünftig
für die Elektronikbranche
viel Potenzial: Peter Bauer
von Infi neon (links) ,
Berhard Erdl von Puls ,
Ulrich Schäfer von Bosch
und Udo Weller von der
Mesago PCIM .

Märkte und Technologien
Exportweltmeister China auf der Überholspur: Im Reich der Mitte wird
inzwischen etwa ein Viertel der weltweiten Halbleiterproduktion zu
elektronischen Geräten verarbeitet.
den Städten. So haben die Asiaten bereits vor einiger Zeit die USA
als weltgrößten Energieverbraucher überholt. Nur woher genügend
Energie nehmen? Neben fossilen Energien, wie Erdöl oder
Kohle, setzt China vermehrt auf erneuerbare Energien, um dem
gesteigerten Bedarf Herr zu werden. China will bis 2020 rund 700
Milliarden US-Dollar in erneuerbare Energien investieren.
Auch E-Mobility ist am Boomen. „China hat in diesem Jahr ein
Programm zur Förderung der Elektromobilität in Höhe von 11,7
Milliarden Euro aufgelegt“, berichtet Udo Weller. Und erklärt:
„Damit will China zum einen unabhängiger vom Öl werden, zum
anderen die starke Luftverschmutzung der Städte bekämpfen. Aber
es ist auch eine Investition in Zukunftstechnologien, wovon die
Leistungselektronikbranche deutlich profitiert.“ Bereits heute sind
Elektrofahrräder auf Chinas Straßen nicht wegzudenken. Die Zahlen
rangieren bei etwa 140 Millionen E-Bikes. Weller geht davon
aus, dass sich dieser Boom in den nächsten Jahren fortsetzen wird.
Ab 2020 sollen jährlich rund eine Million Hybrid- und Elektro-
Autos in China produziert werden.
Die Rolle der Leistungselektronik betrachten
Leistungselektronik spielt für die Entwicklung der erneuerbaren
Energien und der Elektromobilität eine zentrale Rolle. Wer sich
über den neuesten Stand informieren möchte, hat dazu Mitte Mai
und Ende Juni die Gelegenheit in Nürnberg und Shanghai. „Auf
der PCIM werden die für die Weiterentwicklung dieses Marktes
benötigten Innovationen in einer Kompaktheit und Bandbreite gezeigt,
wie sonst nirgends“, betont Udo Weller. „In einer Special Industry
Session zu Smart Grid und E-Mobility werden unter anderem
Fragen zu Batterien, Ladesystemen, Solar und Windanlagen
sowie Vehicle-to-Grid in China und weltweit diskutiert.“
Dass sich chinesische Unternehmen auch für den europäischen
Markt interessieren, zeigen die Anmeldungen zur diesjährigen
PCIM Europe: 11 chinesische Aussteller sind gelistet. Letztes Jahr
waren es nur drei. Erstmalig wird es einen chinesischen Gemeinschaftsstand
geben. „Asiatische Unternehmen, insbesondere die
chinesischen, suchen den europäischen Markt“, fasst Udo Weller
zusammen. Auch die ehemalige PCIM China, jetzt PCIM Asia,
Bild: ZVEI
boomt: neuer Name, neue Location im Shanghai International
Convention Center und wachsende Ausstellerzahlen. Auch hier
sind die Bereiche erneuerbare Energien und E-Mobility von hohem
Interesse. Das Interesse beispielsweise der Konferenzteilnehmer
liegt auf folgenden Punkten:
■ Power Supply
Energiesicherstellung
■ Transportation
■ E-Mobility
■Bei Bauelementen liegen die Punkte Passive und IGBT vorne.
Aufbau Ost: Firmenstandorte in China eröffnen
Das Standortpotenzial bleibt nicht unerkannt: Branchenriese Infineon
hat beispielsweise eine Geschäftseinheit in Peking eröffnet,
um die rasante Nachfrage an Lösungen für Energieeffizienz und
Elektromobilität zu decken. Die neue Einheit beherbergt Vertrieb,
Marketing, F&E und Zentralfunktionen, zudem eine Fertigung für
IGBTs und ein Kompetenzzentrum für Lösungen im Automobilbereich.
Die Leistungshalbleiter spielen für den Einsatz erneuerbarer
Energien eine wichtige Rolle: hier helfen sie bei der Umwandlung
variabler Frequenzen aus Windkraft- oder Solaranlagen in die
für das regionale Stromnetz erforderliche Festfrequenz. „Der weltweite
Energiebedarf nimmt kontinuierlich zu, besonders in Schwellenländern
wie China, einem der strategisch wichtigsten und am
schnellsten wachsenden Märkte von Infineon“, unterstreicht Peter
Bauer, Vorstandsvorsitzender des Unternehmens den Schritt der
Neubiberger. „Mit der Einheit bauen wir unsere Kapazitäten aus
und können damit die stark steigende Nachfrage nach Lösungen
für Energieeffizienz und Elektromobilität in China bedienen.“
Auch Stromversorgungshersteller Puls hat mit seinem Fabrikneubau
im Suzhou Industrial Park ein Zeichen pro China gesetzt.
Dieser ist als Green Building konzipiert und wurde aufgrund seiner
Nachhaltigkeit mit Leed-Gold ausgezeichnet. „Wir investieren
viel in die Entwicklung von zuverlässigen und langlebigen Geräten
mit weit überdurchschnittlichem Wirkungsgrad. So verbrauchen
sie wenig Strom und der anfängliche Mehraufwand amortisiert
sich schnell“, begründet Bernhard Erdl die Auszeichnung. „Aus
demselben Grund haben wir auch viel in die Energieeinsparung in
unseren Werken in Tschechien und in China investiert, denn gerade
bei niedrigen Lohnkosten spielen die Energiekosten eine große
Rolle. Zudem schaffen wir damit eine gesunde, attraktive Arbeitsumgebung
und setzen zukunftsweisende Umweltstandards.“
Die Normung forcieren
Ein nicht zu unterschätzender Punkt ist die Normung. So verzeichnen
beispielsweise die Profibus Nutzerorganisation, die Chinesische
Profibus Association und ihre gemeinsame Dachorganisation
Profibus & Profinet International, Erfolge bei der Normung der PI-
Technologien in China: Sowohl Profinet IO als auch Profidrive
wurden Ende 2010 in China auf nationaler Ebene durch die Standardization
Administration of the People’s Republic of China als
Norm verabschiedet. (Profinet IO: GB/Z 25105.1-.3-2010 und
PROFIdrive: GB/Z 25740.1-.2-2010). Der Normdokument-Typ
GB/Z wird für neue Technologien angewandt. Die Laufzeit dieses
Standards ist zeitlich begrenzt und beträgt in der Regel drei Jahre.
Fazit: China ist ein aufstrebender Markt für die Leistungs elektronik,
der über enormes Wachstumspotenzial verfügt. Kein Wunder
– durch den hohen Energieverbrauch muss man sich schnell
etwas einfallen lassen, um genügend Energie sicherzustellen. Um
den Markt zu stärken, müssen vermehrt chinesische Unternehmen
gegründet werden beziehungsweise zum Zuge kommen. n
8 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com

Märkte und Technologien
Shanghai Noon
PCIM Europe und PCIM Asia: Leistungselektronik boomt
Es läuft gut in der Leistungselektronik. Neuere Einsatzfelder für Leistungshalbleiter und intelligenter Antriebstechnik,
wie erneuerbare Energien, Elektromobilität und Smart-Grid, sorgen für stetig wachsende Zahlen. Den Boomfaktor
spürt auch die Mesago PCIM und sieht sich in ihrer Aufstellung bestätigt. Das elektronikJOURNAL sprach
mit Udo Weller, Geschäftsführer der Mesago PCIM, über Erfolgsaussichten beider Leistungselektronikmessen und
insbesondere über eine nicht mehr ganz so unbekannte Größe, nämlich China. Autorin: Stefanie Eckardt
Die Mesago PCIM hat allen Grund zu jubeln, denn die Vorbuchungszahlen
bestätigen: Die Leistungselektronikmessen PCIM
Europe und PCIM Asia sind auf dem Vormarsch. Das spiegelt insbesondere
die Ausstellungsfläche wider: Diese konnte der Veranstalter
mal eben um 1000 Quadratmeter aufstocken. Heißt: Auch
der hintere Teil der Halle 12 ist diesmal komplett mit Ausstellern
gefüllt. Und die Aussichten sind gut, dass 2012 eine weitere Halle
dazu kommt. Dabei hat die Messegesellschaft allerdings ein genaues
Augenmerk auf die Aussteller. Denn das Motto: „Wachstum ja,
aber nicht um jeden Preis“ steht: Auf die PCIM kommt nur, wer
mit Leistungselektronik und ihrem nahen Umfeld zu tun hat. Und
das sind auch in diesem Jahr wieder Hersteller von Leistungshalbleitern,
passiven Bauelementen, Netzteilen, USVs, Energiespeicher-
und Energieverteilungssystemen, Produkten zur Wärmebe-
herrschung, Sensoren, ASICs, oder Mikrocontrollern. „Die PCIM
mit ihrer Fokussierung wird keine Electronica werden“, unterstreicht
Uwe Scheuermann, Vorsitzender des Fachbeirats, Fachbereich
Power Electronics der PCIM Europe, das Motto. Wie erklärt
Udo Weller das anhaltende Wachstum?
elektronikJOURNAL: Die Leistungselektronik boomt. Was erwarten
Sie für 2011?
Udo Weller: Regenerative Energiegewinnung und Elektromobilität
spielen eine immer bedeutendere Rolle. Wir gehen davon aus, dass
die hohe Nachfrage aus diesen Bereichen weiter anhalten wird. Daher
ist für 2011 mit einem stark wachsenden Markt zu rechnen.
Das spiegelt sich auch auf der PCIM Europe wider: Bereits heute
liegen wir in der Fläche deutlich über dem Endergebnis des Vorjahres.
Die Konferenz erhielt eine Rekordanzahl an Vortragseinreichungen.
Die hohe Qualität und Aktualität dieser Einreichungen
führte zu einem Konferenzprogramm mit knapp 100 Vorträgen in
23 Sessions und zwei Postersessions mit je 60 Posterpräsentationen.
Ein Roundtable zum Thema „The Impact of Wide Bandgap
Power Semiconductors“ rundet das Vortragsangebot ab.
China, die große Unbekannte? Ihre Einschätzung des chinesischen
Leistungselektronikmarktes und der dortigen Hersteller.
Für uns ist China nicht mehr ganz so unbekannt wie noch vor Jahren.
Durch den intensiven Kontakt mit internationalen Unternehmen,
die dort tätig sind und mit den chinesischen Marktführern,
ist uns mittlerweile dieser Markt sehr vertraut. Er wächst enorm
schnell. Nicht allein die weltweite Nachfrage, sondern vor allem
die enormen Investitionen der chinesischen Regierung in Abnehmerindustrien
der Leistungselektronik befeuern diesen Markt.
Um den steigenden Energiebedarf zu decken, setzt China vermehrt
auf erneuerbare Energien und E-Mobility. E-Bikes sind oft zu finden,
kennen Sie Zahlen? Was bedeutet das für die Leistungselektronikbranche?
Wo sehen Sie Probleme?
China hat in diesem Jahr ein Programm zur Förderung
der Elektromobilität in Höhe von 11,7
Milliarden Euro aufgelegt. Damit will
China zum einen unabhängiger vom Öl
werden, zum anderen die starke Luftverschmutzung
der Städte bekämp-
„Wer wissen will, was sich in der
Leistungselektronikbranche
bewegt und welche Neuheiten es
gibt, der kommt zur PCIM Europe
und zur PCIM Asia“: Udo Weller,
Geschäftsführer Mesago PCIM.
Bild: Mesago PCIM
fen. Aber es ist auch eine Investition
in Zukunftstechnologien, wovon die
Leistungselektronikbranche deutlich
profitiert. E-Bikes sind in China
nicht mehr wegzudenken oder
gar zu übersehen. Mittlerweile

sind mehr als 140 Millionen dieser Elek trofahrzeuge auf Chinas
Straßen unterwegs und dieser Boom wird sich auch in den kommenden
Jahren fortsetzen – und sicherlich nicht nur bei Zweirädern.
Die Leistungselektronik spielt dabei eine zentrale Rolle und
auf der PCIM werden die für die Weiterentwicklung dieses Marktes
benötigten Innovationen in einer Kompaktheit und Bandbreite
gezeigt, wie sonst nirgends. In einer Special Industry Session zu
Smart-Grid und E-Mobility werden unter anderem Fragen zu Batterien,
Ladesystemen, Solar- und Windanlagen sowie „Vehicle to
Grid“ in China und weltweit diskutiert.
Plagiate und Produktpiraterie waren bisher in China keine Seltenheit.
Nimmt die Problematik Ihrer Ansicht nach ab? Was tun Sie auf Ihren
Messen, um die Aussteller zu schützen?
Auf Messen wird das Angebot einer Branche so umfassend wie
möglich dargestellt. Sie sind praktisch ein Spiegelbild des Marktes
und ermöglichen es, Ausstellern und Besuchern Produkte im Detail
zu vergleichen. Aus diesem Grund werden Plagiate oft auf Messen
erstmals als solche identifiziert. Als Veranstalter können wir
zwar keine Rechtsberatung geben oder gar die Rechte eines Ausstellers
gegenüber einem Dritten geltend machen, aber wir können
als Vermittler auftreten und den Ausstellern Kontakt zu Rechts-
und Patentanwälten mit der notwendigen Expertise verschaffen.
Ob es bezüglich der Produktpiraterie in diesem hochspezialisierten
Marktsegment eine Tendenz nach oben oder unten gibt, ist für
uns im Rahmen der Messen jedenfalls nicht erkennbar.
Seit neun Jahren findet die PCIM in China statt. 2010 haben die Ausstellerzahlen
erheblich zugenommen. Welche Prognosen können Sie
für dieses Jahr geben?
Bisher lassen die Vorbuchungsstände auf ein weiteres Wachstum
der Veranstaltung schließen. Mit 75 Prozent der gebuchten Letztjahresfläche
ist die PCIM Asia auf einem guten Kurs. Wir gehen
davon aus, dass die Ergebnisse von 2010 bezüglich Aussteller- und
Besucherzahl deutlich übertroffen werden. Auch auf Konferenzseite
erwarten wir ein weiteres Wachstum – mit einem erweiterten
Vortrags- und Posterangebot und interessanten Keynotes zu Themen
wie „Driving eGaN-FETs in High Performance Power Conversion
Systems“ von Alex Lidow wird die PCIM Asia Konferenz
zu dem Treffpunkt für angewandte Leistungselektronik.
Die PCIM China wird 2011 den Namen PCIM Asia tragen. Warum?
Mit der Namensänderung wollen wir dem Fakt Rechnung tragen,
dass zahlreiche Aussteller nicht nur aus China, sondern zunehmend
aus anderen asiatischen Ländern stammen. Auch für die
Aussteller aus Europa und den USA wird so deutlich, dass es nicht
eine lokale chinesische Veranstaltung ist, sondern sie sich an den
ganzen asiatischen Raum richtet, was im Übrigen auch durch die
Teilnehmer- und Besucherstruktur belegt wird.
Zurück nach Nürnberg: Welche Erwartungen haben Sie für die PCIM
Europe? Wie sieht es hier mit chinesischen Ausstellern aus? Wenn
man beide Messe in zehn Jahren betrachtet: Kann sich die PCIM Asia
zur Konkurrenz der PCIM Europe mausern?
Es ist richtig, dass wir auch in Nürnberg eine Zunahme chinesischer
Aussteller feststellen. Dies verwundert kaum, betrachtet man
das Tempo, mit dem dieser Markt wächst. Viele chinesische Firmen
wollen bei der Leitmesse der Leistungselektronik dabei sein
und sich dem Markt präsentieren. Zum einen den Besuchern, die
genau ihre Zielgruppe darstellen und zum anderen ihren Wettbewerbern.
Zum zweiten Teil der Frage: Wir beobachten schon heute
Märkte und Technologien
Können auf eine erfolgreiche PCIM China 2010 zurückblicken, die viel
Potenzial für die diesjährige PCIM Asia verspricht: Leo Lorenz von Infineon,
Udo Weller, Mesago PCIM und Gavin Hsu von i2i­Marketing (von links).
fruchtbare Synergien beider Veranstaltungen. Seien es Teilnehmer
der Nürnberger Konferenz, die sich auch für technische Entwicklungen
im chinesischen Markt interessieren oder chinesische Firmen,
die durch die PCIM Asia auch auf die PCIM Europe aufmerksam
werden und ausstellen. Eine Konkurrenzsituation wird
hier nicht entstehen, da beide Messen den Spezifika ihrer jeweils
eigenen Märkte gerecht werden. So präsentieren sich die weltweiten
Anbieter einem jeweils differenzierten Anwendermarkt und
die PCIM Europe zieht vor allem Anwender aus Europa und den
USA an, die PCIM Asia überwiegend asiatische Unternehmen.
Die Themen Nachhaltigkeit und Energieeinsparung führen zur Frage
Galliumnitrid oder Siliziumkarbid...
Das ist eine spannende Frage – deshalb beschäftigen sich hiermit
eine Special Session, Roundtables und viele Vorträge auf der Konferenz.
Wir sind gespannt, was die Experten dazu zu sagen haben.
Auch digitale Steuerungen tragen zu mehr Energieeinsparungen bei.
Welches Potenzial zeigt sich hier?
Jede technologische Entwicklung, die zur Energieeinsparung oder
Energieeffizienz beiträgt, birgt erhebliche Chancen, wenn auch
teilweise in eng begrenzten Anwendungsgebieten. Auf der PCIM
– ob in Nürnberg oder Shanghai – findet sich das Forum für die
Präsentation und Diskussion, das Marktpotenzial zeigt sich dann.
Warum sollte der Fachbesucher sich die PCIM Europe und PCIM Asia
2011 nicht entgehen lassen? Welche Highlights gibt es?
Die PCIM Europe bildet als Leitveranstaltung den Leistungs elektronik
markt seit Jahren übersichtlich und fokussiert ab. Die PCIM
Asia folgt diesem Beispiel mit Riesenschritten und ist schon jetzt
die führende Veranstaltung in der Region. Alle großen Namen und
Markführer sind vertreten, ebenso wie aufstrebende, neue und innovative
Unternehmen. Dieser Mix macht die Messe auch deshalb
so attraktiv, weil der Besucher meist eine anwenderorientierte Lösung
sucht oder sich über die Neuheiten in der Branche informieren
will – und genau dies hier findet.
Die Keynotes renommierter Experten der Branche sind auch in
diesem Jahr wieder für Teilnehmer wie Besucher offen. Das gilt
auch für die Postersessions. Auf der PCIM Europe wird es, wie in
den letzten Jahren, wieder ein Forum geben, auf dem die Aussteller
ihre Produkthighlights präsentieren können. Darüber hinaus wird
das European Center for Power Electronics wieder den Students
Day am dritten Messetag veranstalten. Mit dieser Aktion wollen
wir uns auch um den Ingenieurmangel in der Branche kümmern.
Zudem haben alle Besucher die Möglichkeit, am ersten und zweiten
Messetag die Postersession im Foyer der Messe zu besuchen.
infoDIREKT www.all-electronics.de 101ejl0211
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02/2011 11
Bilder: Mesago PCIM

Coverstory
Powermodule
Einen Schritt voraus
Aufbau- und Verbindungstechnik optimiert Leistungselektronik
Applikationsbereiche, wie regenerative Energien oder Elektromobilität, sowie Themen, wie Energieeinsparung,
lassen sich ohne die entsprechende Leistungselektronik nicht bewerkstelligen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die
Aufbau- und Verbindungstechnik. Hier gilt es technische Grenzen, beispielsweise Lötverbindungen oder Bodenplatte,
zu überwinden. Welche Lösungen und Trends es gibt, zeigt Semikron. Autor: Thomas Grasshoff
Die Leistungselektronik leistet einen zunehmenden Beitrag
bei aktuellen Trendthemen, wie regenerative Energien,
Elektromobilität und Energieeinsparung. Diese Anwendungsfelder
ließen sich nur mit Hilfe von Innovationen
erschließen, denn die Anforderungen der verschiedenen Märkte erfordern
technologische Lösungen, die über den allgemeinen Industriestandard
der 90er Jahre hinausgehen. Semikron versucht Trends
frühzeitig aufzuspüren und stellt entsprechende Technologien zur
Verfügung. Dafür werden kontinuierlich die Limits existierender
Technologien durch neue Wege ersetzt. Wärmeleitpaste und Drahtbonds
sind die verbliebenen Erb stücke des Industriemoduls und die
werden nun für bestimmte Applikationen durch hochzuverlässige
Sinterschichten und flexible Platinen ersetzt. Die weltweit in den
Fokus gerückte Umweltpolitik und ein stärker an Umweltaspekten
ausgerichtetes Konsumentenverhalten bei der Auswahl von Energiequellen
hat den Einfluss der Leistungselektronik als Möglichkeit
der Energieumwandlung und -steuerung wachsen lassen. Produkte
und Anwendungen werden auf Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und
Kompaktheit optimiert. Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie,
um eine zukünftige Mobilität auf Basis der Hybridtechnik
und der Elektrofahrzeuge zu ermöglichen sowie steigenden Emissionen
und abnehmenden Ressourcen entgegenzutreten. Um den
Anforderungen dieser Märkte gerecht zu werden und die Akzeptanz
zu verbessern, sind Weiterentwicklungen der Leistungselektronik
unumgänglich.
Wichtige Themen: die Leistungsdichten erhöhen, das Bauvolumen
reduzieren und die Zuverlässigkeit verbessern. Für Leistungselektronikhersteller
ist es eine Herausforderung, diese diametralen
Drahtbonds und Wärmeleitpaste
ade: Moderne Methoden der
Verbindungstechnik, wie das
Silbersintern, verbessern die
Leistungselektronik.
12 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com
Bilder: Semikron

Anforderungen zu realisieren. Zusätzlich werden immer höhere
Leistungen gefordert – das heißt, � emen, wie Parallelschaltung
und thermisches Management, erhalten zusätzliche Bedeutung.
Die Leistungselektronik für die stark wachsenden Märkte erneuerbare
Energien und Elektrofahrzeuge pro� tiert in zwei Bereichen:
Erstens sind Leistungshalbleiter für die Energieumwandlung bei
der Erzeugung notwendig, zum Beispiel für Umrichter in Windkra�
rädern. Zweitens sind diese Bauelemente das Kernelement bei
drehzahlgesteuerten Umrichtern und damit der e� zienten Energie-Nutzbarmachung.
Schlüsselfaktoren: hohe Zuverlässigkeit
und niedrige Kosten
In elektrisch betriebenen Fahrzeugen muss die Leistungselektronik
besonders platzsparend und gewichtsarm sein. Darüber hinaus
muss sie auch zuverlässig in rauer Umgebung funktionieren. Um
diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Semikron den klassischen
Technologieweg der Modulbasis verlassen und soweit wie
möglich alle Funktionen des leistungselektronischen Systems mechanisch
integriert. Bild 1 zeigt das aktuelle System für Flurförderfahrzeuge.
Die Herausforderung in der Entwicklung liegt darin,
widerstrebende elektrische, mechanische und thermische Ansprüche
mit höchstmöglicher Zuverlässigkeit und zu vernün� igen
Kosten zu realisieren. Der Umrichter mit einem Volumen von 5,7
Litern hat einen Spitzenstrom von 400 A e � bei einer Batteriespannung
von 160 V und lässt sich direkt auf der Antriebsachse eines
Fahrzeugs montieren. Für diese Anordnung muss das System eine
einwandfreie Funktion bei Vibrationen von 12 g und mechanischem
Stoß bis 100 g gewähren, und das für 20.000 Betriebsstunden
unter Außentemperaturen zwischen -40 und +85 °C.
Schon für die ersten Windkra� anlagen entwickelte Semikron
vor 20 Jahren IGBT-Module, die mit einer modernen Druckkontakttechnik
und funktionaler Integration von Leistung, Ansteuerung
und Sensorik den Herausforderungen dieser Applikation in
Bezug auf Langzeitzuverlässigkeit und Leistungsdichte gewachsen
waren. Heute sind SKiiP-IPMs der dritten Generation im Einsatz.
Mehr als 80 GW wurden bisher installiert, was in etwa der Häl� e
der bis heute installierten Windgenerator-Leistung entspricht.
Nun ist die vierte Generation, der SKiiP4, in der Markteinführungsphase.
Das SKiiP4-Leistungsmodul in der Sechsfach-Ausführung,
wie in Bild 2 zu sehen, leistet 3600 A. Im Vergleich: das
SKiiP3 als Vierfach-Ausführung bietet 1800 A, jeweils für eine
Sperrspannung von 1700 V. Mit SKiiP4 gelang es Semikron ein
IPM zu entwickeln, das bei identischer Baugröße 30 Prozent höhere
Leistung ermöglicht. Im Leistungshalbleitermodul werden die
IGBT- und Diodenchips nicht auf das Substrat gelötet, sondern gesintert.
Zwischenkreisspannungen bis zu 1300 V lassen sich durch
eine verbesserte Ansteuerung sicher beherrschen. Zudem werden
Anforderungen hinsichtlich der Anlagenaufstellung in größerer
Höhe über dem Meeresspiegel und außerhalb des Küstenbereichs
erfüllt. Zur Absicherung der geforderten niedrigen Ausfallwahrscheinlichkeit
unterzieht Semikron jede Einheit vor Auslieferung
einem Burn-in-Test. Wenn die Leistungselektronik in den Massenmarkt
Automobil eingesetzt wird, müssen die Systeme kleiner und
zuverlässiger werden. Das gleiche gilt für Windkra� anlagen. Bei
O� -Shore-Installationen sind Wartungseinsätze extrem teuer.
Im Blickpunkt: Aufbau- und Verbindungstechnik
Bei der klassischen Au� au- und Verbindungstechnik existieren
heute fünf unterschiedliche technische Limits, die es in der Leistungselektronik
zu überwinden gilt: Die Lötverbindungen, die Bo-
Auf einen Blick
Coverstory
Powermodule
denplatten, das Modul layout, die Chiptemperaturen sowie die
Stromdichten.
■ Lötverbindungen: In einem konventionell gelöteten Leistungsmodul
mit einer Kupferbodenplatte stellt die Lötverbindung in der
Regel den mechanisch schwächsten Punkt des Gesamtsystems dar:
Durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoe� zienten der Materialien,
durch hohe Temperaturänderungen und wechselnde elektrische
Lasten während des Betriebes entstehen Ermüdungserscheinungen
der Lötlagen im Modulau� au. Indizien dafür sind die sich
während des Betriebes erhöhenden thermischen Widerstände, die
zu hohen Chiptemperaturen führen. Dieser Wechselwirkungsprozess
führt unweigerlich zu einem Komponentenfehler durch
abhebende Bonddrähte. Zusätzlich gibt es bei gelöteten Verbindungen
zu einer Leiterplatte immer das Zuverlässigkeitsrisiko kalter
Lötstellen.
■ Bodenplatten: Die Bodenplatten für Module mit großen Abmessungen
und höherer Leistung können in Bezug auf thermische
und mechanische Performance nur mit technischen Schwierigkeiten
und unter hohen Kosten realisiert werden. Die einseitige
Substrat lötung erzeugt einen Bimetalle� ekt, der nicht-homogene
Verwindungen verursacht. Dadurch ist die thermische Anbindung
an den Kühlkörper nicht optimal. Anstelle einer Kühlkörperanbindung
mit quasi-metallischem Kontakt muss die Lücke zwischen
Bodenplatte und Kühlkörper mit einer Wärmeleitpaste ausgefüllt
werden, die von Haus aus schlechte thermische Eigenscha� en mitbringt.
Ergebnis: eine Barriere im thermischen Gesamtsystem. Die
Wärmeleitpaste hat einen thermischen Widerstand der 400-mal
höher als der von Kupfer ist. Diese Schicht ist für bis zu 60 Prozent
des thermischen Widerstandes zwischen Chip und Kühlmedium
verantwortlich.
■ Das Modullayout: Bei Modulen ab 150 A müssen Chips auf der
DCB parallel geschaltet werden, um größere Stromratings zu erzielen.
Durch die mechanischen Restriktionen beim Layout konventioneller
Bodenplattenmodule ist eine ideale Symmetrie o�
nicht erreichbar. Das Ergebnis sind Inhomogenitäten im Schaltverhalten
parallel geschalteter Chips und unterschiedliche Ströme
an den Chippositionen. Deshalb wird im Datenblatt immer der
schwächste Chip spezi� ziert. Interne Au� auten mit Bonddrähten
oder Verbindern verschlechtern die Leitwiderstände im Modul
und führen zu hohen Streuinduktivitäten.
■ Chiptemperaturen: Weiterentwicklungen in der IGBT-Technologie
ermöglichen feinere IGBT-Zellstrukturen und damit kleinere
Chips. Das wird auch durch den Druck, die Kosten der Leistungshalbleiter
zu minimieren, forciert. Mit kleineren Komponenten
geht eine Erhöhung der Stromdichten einher, denn die Chips sind
die letzten Jahre im Schnitt um 35 Prozent kleiner geworden.
Grün denken und handeln
In Zeiten von Green Electronics zur Energieeinsparung und Klimaschonung
gewinnt die Leistungselektronik zunehmend an Bedeutung.
Um die Leistungsdichte von Leistungsbausteinen zu erhöhen und diese
somit energieeffi zienter sowie zuverlässiger zu gestalten, spielt
die Aufbau- und Verbindungstechnik eine wichtige Rolle. Hier haben
Wärmeleitpaste und Drahtbonds – Erbstücke des Industriemoduls –
so langsam ausgespielt. An ihrer Stelle werden in naher Zukunft in
bestimmten Applikationen hochzuverlässige Sinterschichten und
Folien zum Einsatz kommen.
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www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02 / 2011 13

Coverstory
Powermodule
Bild 1 (links): Das Skai-System für Flurförderfahrzeuge
hat ein Volumen von 5,7 Litern und ist für einen
Spitzenstrom von 400 A eff bei einer Batteriespannung von
160 V ausgelegt.
Bild 2 (rechts): Ermöglicht im Vergleich zu Vorgängergenerationen
bei gleicher Baugröße etwa 30 Prozent mehr
Leistung: Das SKiiP4-IPM in der 6-fach-Ausführung.
Gleichzeitig sind die maximalen Sperrschichttemperaturen auf
175 °C gestiegen. Das bedeutet, dass die Module einerseits kompakter
werden, aber andererseits, dass der Temperaturgradient
zwischen IGBT und Umgebungstemperatur größer wird. Dadurch
steigen die Belastungen für die Materialien. Eine Erhöhung der
Temperatur um 25 Kelvin bedeutet eine Verringerung der Zuverlässigkeit
um den Faktor 5. Anmerkung: Mit neuen Halbleitermaterialien,
wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid, lassen sich höhere
Temperaturen realisieren.
■ Stromdichten: Moderne IGBT- und Mosfet-Chips überzeugen
im Vergleich zu Vorgängermodellen mit höheren Stromdichten.
Das konventionelle Aluminimum-Dickdrahtbonden stellt bei kleinen
Oberseitenkontakten ein Hindernis für höhere Lastströme
und verbesserte Zuverlässigkeit dar. Es ist zwar möglich, das
Drahtbonden weiter zu optimieren und neue Materialien einzusetzen
– das bedeutet aber einen erheblichen Aufwand bei der Chipherstellung
und damit höhere Kosten der Halbleiter.
Die fünf beschriebenen Limits der Aufbau- und Verbindungstechnologie
sind voneinander unabhängige Faktoren. Deshalb ist
es sinnvoll nach einer integralen technischen Lösung anstelle von
Einzellösungen zu suchen.
Lötverbindungen zwischen Chip und DCB ersetzen
Das Silber-Sintern ist bereits heute ein Serienverfahren, um Lötverbindungen
zwischen Chip und DCB zu ersetzen. Durch die hohe
Schmelztemperatur von 962 °C im Vergleich zu klassischen
Loten ist die Zuverlässigkeit einer Sinterschicht um ein Vielfaches
höher. Sie ermöglicht damit den Einsatz der Leistungselektronik
bei hohen Temperaturen in anspruchsvollen Anwendungen, wie
Fahrzeugen. Vorteil: Die maximale Sperrschichttemperatur von
175 °C beträgt nur 18 Prozent der Schmelztemperatur der Sinterlage.
Das ist ein großer Unterschied zur klassischen Lötverbindung,
wo die maximale Chiptemperatur bei 60 Prozent der Schmelztemperatur
liegt und damit zu den bereits erwähnten Degradierungen
führt. Allerdings bleibt eine Zuverlässigkeitsbarriere erhalten –
nämlich die Bonddrähte auf der Chipoberseite.
Der Ersatz der Bonddrähte auf der Chipoberseite wird in der
Industrie und auf Konferenzen bereits seit einigen Jahren disku-
Bild 3 (unten): Modernes Verfahren: Die Silber-Sintertechnologie
kommt auch für die Chipoberseite und die
thermische Verbindung zum Kühlkörper zum Einsatz.
Bilder: Semikron
tiert. Die meisten Ansätze basieren auf Lötungen und integrierten
Verbindungstechnologien.
Silber-Sintertechnologie sorgt für höhere Leistungsdichte
Ein neues Verfahren: die Silber-Sintertechnologie auch auf die
Chipoberseite und die thermische Verbindung zum Kühlkörper
anwenden. Die Chips werden durch Sinterverfahren auf der Oberseite
an eine flexible und strukturierte Platine angebunden. Die
Leiterstrukturen sind so dick, dass sie Lastströme tragen können.
Die DCB-Unterseite wird direkt auf den Kühlkörper gesintert, wie
Bild 3 verdeutlicht. Auch die elektrischen Hauptanschlüsse lassen
sich auf die DCB sintern und können damit bisherige Löt- oder
Bondverbindungen ersetzen. Der Ersatz der Wärmeleitpaste mit
Hilfe einer Silber-Sinterlage und damit die Reduktion des thermischen
Widerstandes macht es möglich, die Leistungsdichte um
über 30 Prozent zu erhöhen. Die flexible Platine mit der flächigen
Chip-Kontaktierung anstelle von Bonddrähten verbessert die Zuverlässigkeit.
Die bessere Übereinstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen der Kontaktfläche des Chips und
dem Material der Platine ist der Grund für die verbesserte Lastwechselfestigkeit.
Damit ist eine Aufbautechnik ohne Drahtbonds,
Lötungen und Wärmeleitpaste möglich.
Fazit
Die Silber-Sintertechnologie bietet Potenzial für technische Weiterentwicklungen.
Stromsensorik und Gate-Ansteuerung werden
ständig weiter miniaturisiert. Auf der Oberseite der Platine ist zukünftig
eine 3D-Integration möglich. So wird es mit dieser Technologie
möglich sein, Umrichter zu bauen, die im Vergleich zum
heutigen, modernen System nochmals eine Erhöhung des spezifischen
Leistungsvolumens von bis zu 100 Prozent realistisch erscheinen
lassen. Die Technologie wird ihre Vorteile am besten
durch integrierte, kompakte Systeme mit optimaler mechanischer
Integration entfalten. (eck) n
Der Autor: Thomas Grasshoff ist Leiter Internationales
Produktmanagement bei Semikron in Nürnberg.
14 elektronikJOURNAL 02/2011
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Leistungsbauteile und Powermodule
und Powermodule
Über den Dächern von München
Roundtable im Hochhaus: Galliumnitrid und Siliziumkarbid im Vergleich
Seit über 50 Jahren ist Silizium (Si) der Baustoff von Leistungstransistoren, stößt aber mittlerweile an seine
physikalischen Grenzen. Schließlich werden beispielsweise im Automotivebereich Leistungsdichten gefordert, die
sich mit Siliziumchips nicht mehr erzielen lassen. Mit Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) stehen zwei
Halbleitermaterialien in den Startlöchern, die bessere Eigenschaften versprechen. Autorin: Stefanie Eckardt
Cary Grant und Grace Kelly in rasanten Verfolgungsjagden
vor der Traumkulisse an der französischen Riviera: Alfred
Hitchcock zog in „Über den Dächern von Nizza“ alle Register
für eine aufregende Krimiunterhaltung. Mit Palmen
und einem malerischen Ausblick aufs Mittelmeer konnten wir
zwar nicht aufwarten, aber in München ging es Ende März nicht
minder spannend zu, als das elektronikJOURNAL zum Roundtable
„Leistungselektronik: Galliumnitrid oder Siliziumkarbid“
einlud. Handlungsort war in unserem Krimi das Hochhaus des
Süddeutschen Verlages (SV) in der Hultschiner Straße im Osten
Münchens – der SV ist der Mutterkonzern des Hüthig Verlages.
Energieeffizienz und Nachhaltigkeit sind Schlüsselworte derzeitiger
energie­ und klimapolitscher Diskussionen. Diese reichen
von der Energiegewinnung bis tief in die Leistungselektronik. Um
Leistungshalbleiter energieeffizienter zu gestalten, sind vor allem
zwei Halbleitermaterialien im Gespräch: Galliumnitrid (GaN) und
Siliziumkarbid (SiC). Beide verfügen über einen vergrößerten
Bandabstand und eine schalterfreundliche Kristallstruktur im Vergleich
zu Silizium. Das bringt den Vorteil, dass sich Leistungsbausteine
bei höheren Temperaturen betreiben lassen. Kühlaufwand,
Baugröße und Gewicht reduzieren sich, was eine große Energieersparnis
in der Applikation bedeutet.
Soweit die Gemeinsamkeit. Nun spaltet sich die Branche: Ist
GaN nur ein Hype oder das Non­Plus­Ultra? Eine Frage, die heftig
diskutiert wurde. Das elektronikJOURNAL wollte wissen, wo Vor­
16 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com
Bild: Gary - Fotolia

Auf einen Blick
Schritt für Schritt
Silizium geht. Nicht gleich, denn vor allem aufgrund der Kosten hat es
durchaus (noch) seine Daseinsberechtigung. Aber auf lange Sicht
sind die physikalischen Grenzen von Si erreicht. Was kommt danach?
Zur Steigerung der Energieeffi zienz sind in der Leistungselektronik
Wide-Bandgap-Materialien, wie SiC und GaN, in der Diskussion und
werden mittel- bis langfristig eine wichtige Rolle spielen. Beide Materialien
bergen Chancen und Risiken, die sich heutzutage noch nicht
einhundertprozentig einschätzen lassen. Fakt ist aber: Wer nicht in
die neuen Technologien investiert, wird den Anschluss verpassen.
und Nachteile im Vergleich zu SiC liegen. Schließlich haben International
Recti� er und E� cient Power Conversion bereits Vorarbeit
geleistet und GaN-Bausteine im Niederspannungsbereich auf
den Markt gebracht. Welches Potenzial bieten beide Materialien?
Und: Was ist mit Silizium – gehört das schon zum alten Eisen? Diese
Fragen diskutierten nicht nur (Leistungs-) Halbleiterhersteller,
wie In� neon , ST Microelectronics , NXP , Semisouth , Vishay , Cree
oder United Monolithic Semiconductor (UMS), sondern auch Forschungsinstitute,
wie das Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik
(IAF) oder das VDI Technologiezentrum .
Was kommt nach Silizium?
Es herrschte also Redebedarf in der Hultschiner Straße. Die Frage,
was nach Silizium kommt, wurde durch das entscheidende Wort
„wann“ ergänzt: Was kommt wann nach Si? Denn trotz verbesser-
www.elektronikjournal.com

Leistungsbauteile
und Powermodule
ter Eigenschaften werden Siliziumkarbid und vor allem Galliumnitrid
Silizium als Material für Leistungshalbleiter zumindest für
den höheren Leistungsbereich (ab 600 Volt) vorerst nicht ablösen.
Gründe sind zum einen in den im Vergleich zu Si­Bausteinen
hohen Herstellungskosten zu finden. Zwar betont Jochen Dreßen,
dass der VDI durch die treibenden Märkte Elektromobilität und
Energie – also erneuerbare Energien, genauer Photovoltaik und
Wind – sehr deutlich auf GaN und SiC angesprochen wird, aber
das Argument von Seiten der Industrie, dass keiner für mehr Energieeffizienz
zahlt, konnte auch er nicht vom Tisch fegen. „Das
Hauptproblem beispielsweise bei Automotive ist nicht die Energieersparnis,
sondern billiger, billiger, billiger“, unterstreicht Mustafa
Dinc von Vishay diesen Fakt.
Deshalb: „Silizium dürfen wir nicht außen vor lassen“, ist sich
Peter Friedrichs von Infineon sicher und bekommt erheblichen
Zuspruch aus der Runde. Daniele Kröll von ST ergänzt: „Man kann
mit Silizium noch mehr erreichen.“ Letztendlich bleibt die Siliziumtechnologie
nicht stehen, sondern entwickelt sich weiter und
lässt sich vor allem kostengünstig produzieren. Dieses Kostenniveau
müssen sowohl SiC als auch GaN erst einmal erreichen. „Silizium
hält nun einmal den Dollarmarkt“, weiß Werner Riethmüller
von NXP.
Kosten kontra Energieeffizienz?
Immerhin ließe sich mit Fördermitteln einiges in Richtung GaN
bewerkstelligen, argumentiert Dr. Dreßen. „Diese sind allerdings
nur ein Tropfen auf dem heißen Stein“, widerspricht Dieter Liesabeths,
„damit wird keine neue Technologie eingeführt.“ Dafür
bräuchte es einige Player, die SiC­ oder GaN­Produkte in den
Markt einführen – und zwar nicht nur Start­Ups, sondern auch
Branchenriesen. Kleine Unternehmen können zwar eine Technologie
anschieben, die Frage ist nur, ob sie letztendlich den Atem
haben, durchzuhalten. Die Global­Player hingegen haben oft das
Problem, dass sie sich keinen Fehltritt erlauben dürfen. Das macht
Unten links: Im Gespräch – Christian Hoenicke, Erich Niklas, Rüdiger Quay,
Werner Riethmüller, Jochen Dreßen, Peter Friedrichs, Uwe Beilenhoff, Daniele
Kröll, Dieter Liesabeths, Mustafa Dinc, Stefanie Eckardt (im Uhrzeigersinn).
Unten rechts: Siegt der Kostenfaktor oder doch der Blickwinkel Energieeffizienz?
Peter Friedrichs (vorne) und Klaus Beilenhoff in der Diskussion.
Talk im Turm: Die Frage, ob GaN oder SiC oder doch noch Silizium das
optimale Halbleitermaterial darstellt, sorgte für lebhafte Diskussion. Im
Gespräch: Mustafa Dinc (Vishay), dahinter Dieter Liesabeths (Semisouth).
es alles in allem gesehen schwierig, auf eine neue Technologie zu
setzen, wenn das Risiko komplett beim Unternehmen liegt. Gesetzliche
Regulierungen wären an dieser Stelle sicherlich eine Hilfe,
so der allgemeine Tenor.
Neben dem Kostenaspekt sind Zuverlässigkeit und Funktionalität
Bewertungsfaktoren. Galliumnitrid bringt viele Vorteile mit,
„muss aber in einer Mikrosystemumgebung funktionieren“, so Rüdiger
Quay vom Fraunhofer IAF. „Wichtig ist zum Schluss nicht
das Materialthema, sondern dass die Funktionalität umgesetzt
werden kann.“ Fakt: GaN ist nie eine Drop­in­Lösung gewesen
und wird auch nie ein One­to­One­Replacement darstellen.
Den Einsatz von Wide-Bandgap-Materialien betrachten
SiC und GaN können Vorteile, wie eine hohe Leistungsdichte, kleinere
Applikationen, eine bessere Sperrspannung, niedrige Leistungsverluste,
eine höhere EMV­Verträglichkeitkeit sowie ein besseres
Ausfall­ und Temperaturverhalten ausspielen. Kaco New
18 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com
Bild: Achim Leitner
Bild: Achim Leitner

Infokasten
Teilnehmer
Klaus Beilenhoff, Customer and R & D Interface Ulm,
bei United Monolithic Semiconductors.
Mustafa Dinc, Director Sales Business Development
Automotive bei Vishay Europe in Heilbronn.
Jochen Dreßen, Fachkoordinator Elektronik, VDI Technologiezentrum.
Peter Friedrichs, Technology & Innovations Power Division Industrial
& Multimarket bei Infi neon Technologies in Neubiberg bei München.
Daniele Kröll, Regional Produkt Marketing Engineer Analog,
Power & MEMS Industrial & Multimarket BU bei ST Microelectronics
in München.
Dieter Liesabeths, Director of Europe bei Semisouth in München.
Erich Niklas, Business Manager Power EMEA bei Cree in Österreichs
Hauptstadt Wien.
Rüdiger Quay, PD am Fraunhofer IAF in Freiburg.
Werner Riethmüller, BU R & D Manager bei NXP in Hamburg.
infoDIREKT www.all-electronics.de 105ejl0211
Energy, Teilnehmer am BMBF -Forschungsprojekt GaN Power
Plus, etwa erho� sich durch den Einsatz GaN-basierter Leistungshalbleiter
eine bessere Performance für seine Solarwechselrichter.
Angestrebt werden fünf- bis zehnfach höhere Taktfrequenzen bei
gleichen oder sogar niedrigeren Leitungsverlusten. Siliziumkarbid
– für den Hochspannungsbereich (1200 Volt) prädestiniert – glänzt
in punkto Schaltgeschwindigkeit und hohe Schaltfrequenzen. „Sie
kommen mit Siliziumkarbid hoch bis in den Megahertzbereich“,
unterstreicht Dieter Liesabeths von Semisouth. Entsprechende
SiC-Produkte haben Cree (SiC-Mosfets), Semisouth (SiC-JFETs),
In� neon (SiC-JFETs), ST und Vishay auf den Markt gebracht.
Mit etwas Skepsis wird in der Runde das recht schnelle Vorstoßen
von IR im GaN-Bereich betrachtet, insbesondere die qualitative
Seite der Bausteine. Schließlich sollen die Leistungshalbleiter
nicht nur im Consumerbereich zuverlässig arbeiten, sondern auch
in kritischen Anwendungen. An dieser Stelle muss die Frage gestellt
werden, inwiefern man die entsprechende Zuverlässigkeit
Bild: Achim Leitner
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Bild: Fraunhofer IAF
Leistungsbauteile
und Powermodule
Galliumnitrid – ein Halbleitermaterial, das es in sich hat. Es soll für erheblich
höhere Taktfrequenzen in der entsprechenden Applikation sorgen.
wirklich zur Verfügung stellen kann. Eine zu frühe Markteinführung
von Galliumnitrid-Produkten stellt unter Umständen ein
Problem dar und kann zum Imageverlust der entsprechenden
Technologie führen.
Cree sieht den zuverlässigen Einsatz von GaN auf langfristiger
Ebene, allerdings nicht in einem breiten Einsatzgebiet, sondern für
Spezialanwendungen. Erich Niklas ’ Einschätzung: „Galliumnitrid
wird in fünf Jahren bei einem Marktanteil von ein bis zwei Prozent
liegen, wenn überhaupt. Silizium wird meines Erachtens nicht aussterben,
dazu ist der Fortschritt in dieser Technologie zu groß.“
Momentan werden etwa 14 Milliarden US-Dollar im Leistungselektroniksegment
bewegt; davon nimmt Siliziumkarbid etwa ein
Prozent ein. GaN liegt erheblich darunter.
Für ST Microelectronics steht fest: In fünf bis sieben Jahren wird
ein GaN-Mosfet auf dem gleichen Level sein wie ein Siliziumbaustein.
Begründung: Bei einem GaN-on-Si-Mosfet lässt sich nahezu
das gleiche Equipment zur Herstellung nutzen wie für einen
Siliziummosfet. Der erneuten Frage nach den Kosten, erteilt Dr.
Quay eine Abfuhr: „Wenn außer, dass eine andere Materialschicht
nötig ist, nichts geändert werden muss und dafür erhält man eine
erheblich bessere Performance, dann sollte die Frage nach den
Kosten eigentlich beantwortet sein.“ Schließlich sind durchaus
Appli kationen denkbar, bei denen Kompaktheit und Leistungsdichte
eine Rolle spielen. „Hype oder Chance – ich sehe eindeutig
die Chance“, schließt er.
Die Materialbasis betrachten
Das gilt auf der anderen Seite genauso für Siliziumkarbid. Allerdings
ist auch an dieser Stelle das Kostenthema signi� kant, das
vielleicht das entscheidende Quäntchen Pro oder Kontra für die
eine oder die andere Technologie gibt. Eine Aussage darüber zu
tre� en, wie sich 6-Zoll-SiC-Wafer im Vergleich zu einem 6-Zoll-
GaN-on-Si-Wafer entwickeln, verdient zum gegenwärtigen Zeitpunkt
wohl eher die Bezeichnung Educated Guess. Wie sieht es mit
der Materialbasis aus? Bei Galliumnitrid entwickelt jeder Hersteller
seine eigene Materialbasis und sein eigenes Verfahren, was
letztendlich zu unterschiedlichen Prozessen führt. Interessant ist
auch die Frage nach der Schnittstelle. Beispielsweise bietet Aixtron,
Anlagenhersteller für die Halbleiterindustrie, Templates lediglich
mit einer Pu� erschicht. Darauf wird anschließend die aktive
Schicht aufgetragen. Für GaN spricht der Fakt, dass trotz komple-
Infokasten
Mut zur Vorreiterposition
International Rectifi er und EPC haben im Niederspannungsbereich
bereits erste GaN-Produkte auf den Markt gebracht und zumindest IR
will laut eigener Roadmap Ende 2011 einen 600 Volt GaN-on-Si-Baustein
vorstellen. Warum hat sich IR für GaN trotz eines gewissen Risikos
entschieden? Dazu Tim McDonald , Vice President Emerging Technologies
Group: „Die Anforderungen kommerziell nutzbare und hochwertige
GaN-on-Si-Bausteine zu produzieren waren hoch, wir
mussten viel Geld und Zeit investieren. IR arbeitet an der GaNpowIR-
Plattform bereits seit sieben Jahren. Aus unserer Sicht nähert sich
das Leistungsvermögen von Silizium seinem Ende. Damit ist die Zeit
für eine neue Lösung gekommen. Wir haben, wie gesagt, vor sieben
Jahren den Grundstein gelegt und ernten langsam den Lohn für unsere
Mühe.“ Warum GaN und nicht SiC? „Siliziumkarbid wird seinen
Platz im Markt einnehmen, aus unserer Sicht im Bereich über 1200
Volt. Wir konzentrieren uns auf Applikationen im Bereich von 20 bis
1200 Volt und halten hier GaN für die leistungsstärkere Technologie.“
xer Struktur die Vorteile eines sehr sauberen Substrats ausgespielt
werden können.
Ausfl ug in die HF-Technologie
Der Hochfrequenzmarkt ist im Vergleich zum Leistungselektronikmarkt
wesentlich kleiner, aber sicherlich nicht uninteressant:
Hier kommt Galliumnitrid bereits seit längerem zum Einsatz. „Wir
verwenden GaN-auf-Siliziumkarbid“, gibt Klaus Beilenho� von
UMS einen kurzen Einblick und erklärt: „In unserem Bereich steht
die Performance an erster Stelle, erst danach werden die Kosten
betrachtet.“ Die Kombination GaN-on-SiC wäre in der Leistungselektronik
derzeit wirtscha� licher Selbstmord. Für Hersteller der
beiden Halbleitermaterialien bedeutet das konkret, dass sie sich
eine Nische suchen müssen, die sich dann vergrößert, bis man zur
Volumenproduktion vorstößt, und sich im Ende� ekt die Kosten
senken lassen. Auch im HF-Umfeld sind hohe Stückzahlen vonnöten,
damit sich die Technologie lohnt.
Was lässt sich daraus für die Leistungselektronik entnehmen?
„Das � ema GaN/SiC muss gesellscha� liche Relevanz bekommen“,
erwartet Klaus Beilenho� . Heißt: Wenn es eine Applikation gibt,
für die Galliumnitrid oder Siliziumkarbid prädestiniert ist und der
gesellscha� liche Drive sozusagen ins Fahren kommt, können die
Technologien massiv vorangetrieben werden. „E-Mobility kann
ich mir hier gut vorstellen“, meint der UMS-Experte. Problematik:
„Solange es keine entsprechende Gesetzgebung gibt, gibt es auch
keine hohen Stückzahlen“, schränkt Mustafa Dinc ein.
Fazit
In der Leistungselektronik hat im Zuge von � emen, wie Energiee�
zienz und Nachhaltigkeit die Reise hin zu Galliumnitrid und
Siliziumkarbid begonnen. Allerdings geht sie noch sehr langsamen
Schrittes vonstatten. GaN und SiC stellen zwar langfristig die Leistungshalbleitermaterialien
der Zukun� dar, bisher sind allerdings
die Gesamtsystemkosten zu hoch. Wann der endgültige Durchbruch
kommen wird, kann derzeit noch niemand prognostizieren.
Darüber hinaus ist anzumerken, dass Silizium noch längst kein altes
Eisen ist – im Gegenteil. Man kann also abschließend sagen: Es
wird eine Koexistenz beider Technologien geben und ab dem
600-Volt-Bereich ist Silizium nach wie vor nicht nur mit von der
Partie, sondern zumindest aus Kostengründen noch in der Poleposition
zu � nden. ■
20 elektronikJOURNAL 02 / 2011
www.elektronikjournal.com

88dB SFDR bei 100MHz
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Leistungsbauteile und Powermodule
und Powermodule
Bild: unpict - Fotolia
Geschüttelt,
nicht gerührt
Trench-Mosfets in schnellschaltenden
Applikationen einsetzen
Ziel in der Leistungselektronik: den Wirkungsgrad des
Leistungsbausteins zu steigern, um die Applikation so
effizient wie möglich zu gestalten. Bei Mosfets sollte
dabei die Sperrverzögerung oder auch Reverse-Recovery
detailliert betrachtet werden. Worauf es dabei
ankommt, beschreibt International Rectifier.
Das Reverse-Recovery-Verhalten der Body-Diode eines
Leistungsmosfets wird in der Regel durch die Doppelimpuls-Testmethode
untersucht. Weil mit dieser Testmethode
die Parameter T rr , Q rr und I RRM erfasst werden sollen,
ist das angelegte di/dt verhältnismäßig langsam; es liegt bei
100 Ampere pro Mikrosekunde. „Zum Teil ist dieses langsame di/
dt historisch bedingt“, kommentiert Hemal Shah, Director of Strategic
Marketing and Applications Engineering bei International
Rectifier im kalifornischen El Segundo. Er ergänzt: „Darüber hinaus
wird immer dann, wenn das di/dt erhöht wird, das Auflösen
der interessanten Parameter schwieriger.“ Das liegt an der parasitären
Induktivität (L di/dt), die die Messung der interessierenden
Parameter etwas verschleiert. „Nachdem die Leistungselektronik
heutzutage den höchsten Wirkungsgrad anstrebt, verschieben viele
Entwicklungen die Schaltübergangszeiten auf einen niedrigeren
Wert“, erklärt der Marketing Director von IR. Es ist nicht unüblich,
dass FETs mit Stromanstiegsgeschwindigkeiten zum Einsatz kommen,
die mehrere Tausend Ampere pro Sekunde übertreffen. Das
lässt sich zwar mit robusten Trench-FETs durchführen, allerdings
sind ältere Planar-Bausteine in der Regel nicht in der Lage, diese
Anstiegsgeschwindigkeiten ohne Schaden zu überstehen.
Parameter festlegen
Die für die Tests ausgewählten Komponenten sind durchgehend in
TO-220-Gehäusen untergebracht. Dabei verfügen die Teile A1 bis
A5 über eine Nennspannung von 100 Volt und Chipgrößen zwischen
15,3 und 16,9 Quadratmillimeter. Dagegen liegt die Nennspannung
der Teile B1 bis B4 bei 55 bis 60 Volt, ihre Chipgrößen
reichen von 5,3 bis 6,2 Qua dratmillimeter. Vergleiche zwischen
den Bausteinen mit gleichen Nennspannungen hat der Hersteller
getrennt vorgenommen. Bei GenA und GenB handelt es sich um
planare Komponenten, bei GenC und GenE um Trench-Bauteile.
Die aktuelle Generation hat einen niedrigeren R DS(on) und einen höheren
ID-Nennwert als die ältere.
Ins Detail gehen
Um detaillierte Aussagen treffen zu können, müssen die Punkte
Schaltungslayout und Gate-Ansteuerung genauer betrachtet werden.
In Bild 1 ist ein vereinfachtes Schaltbild des verwendeten
Doppelimpulstesters dargestellt. Das Layout der Leiterplatte wurde
22 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com

Nachdem die Leistungselektronik
heutzutage den höchsten Wirkungsgrad
anstrebt, verschieben
viele Entwicklungen die Schaltübergangszeiten
auf einen niedrigeren Wert:
Hemal Shah, Director of Strategic Marketing & Applications
Engineering, IR in El Segundo, Kalifornien.
so ausgelegt, dass es minimale induktive Elemente in die Hochstromschleife
einführt. Die mit dem Board-Design erzielte Gesamtschleifeninduktivität
beträgt laut Messung 37 Nanohenry.
Darin sind die parasitären Zuleitungs- und Bonddraht-Induktivitäten
beider D2-Pak-FETs sowie der koaxiale Strommesswiderstand
(Shunt) von 10 Milliohm enthalten, ebenso wie das PCB-
Layout und der DC-Bus selbst, nämlich die vollständige Stromschleife
mit Ausnahme der externen Spule. Dieser Wert wird experimentell
veri� ziert, indem man beide FETs einschaltet und die
Stromanstiegsgeschwindigkeit beobachtet. „Bei einer Busspannung
von 100 Volt konnten wir eine lineare Stromrampe von 150
Ampere in 55 Nanosekunden über dem koaxialen Shunt messen“,
erklärt Hemal Shah. „Das entspricht 2,73 Ampere pro Nanosekunde,
woraus wir über die Formel V = L di/dt berechneten, dass die
Induktivität 37 Nanohenry betrug.“ Der Wert stimmt mit einem
LT-Spice-Modell des Testers überein, was unter Verwendung der
beiden gemessenen und geschätzten Parameter entwickelt wurde.
„Das beweist die Übereinstimmung der Stromanstiegsgeschwindigkeit
mit unserer Messung, wenn die Gesamtschleifeninduktivität
37 Nanohenry beträgt“, betont Hemal Shah.
Des Weiteren spielt die Gate-Ansteuerung eine wichtige Rolle.
Eine schnelle Gate-Ansteuerung mit niedriger Impedanz ist entscheidend
für den Erhalt von Doppelimpulsmessungen. Diese sollten
nicht dadurch verzerrt sein, dass der Schalt-FET langsam arbeitet
und dadurch eine erhebliche Zeit im Übergangszustand
verbringt. Bei dem eingesetzten Gate-Treiber handelt es sich um
eine diskrete Entwicklung. Dieser steuert bei 10 bis 90 Prozent der
Anstiegs- und Abfallzeiten, die unter15 Nanosekunden liegen, die
in dieser Untersuchung verwendete höchste Gate-Kapazität an. Sowohl
der Einschalt- als auch der Abschalt-RG wurden auf 2 Ohm
eingestellt – ohne internen FET-RG. Die Schaltgeschwindigkeit im
Doppelimpulstest pro� tiert von einer etwas niedrigeren e� ektiven
C ISS sowie dem Fehlen eines Miller-E� ekts während der Einschalt-
� anke des Schalt-FETs. Das resultiert daraus, dass der zu testende
Baustein (DUT, Device-Under-Test) während des Einschaltvor-
Auf einen Blick
Leistungsbauteile Leistungsbauteile und Power-
und Powermodule module
gangs des Schalters noch leitet. Dadurch verändert sich die V DS des
geschalteten FETs wenig. Es tritt praktisch kein Miller-Kapazitätsplateau
auf, das die Anstiegszeit der Gate-Spannung verlangsamt.
Der Abfall der Drain-Spannung erfolgt erst nachdem das Gate den
vollen Wert erreicht hat – wenn die Body-Diode des DUT sich
schließlich voll erholt hat. Außerdem be� ndet sich die nichtlineare
Sperrschichtkapazität auf ihrem niedrigsten Wert, weil die V DS
während des gesamten Einschaltvorgangs bei nahezu 80 Prozent
des BV (DSS) liegt. Dadurch ist die C ISS niedriger als zum Zeitpunkt,
wenn die Drain nicht e� ektiv an den Bus geklemmt ist.
Die Bausteine testen
Wie lief der Versuch ab? Die Doppelimpulstests fanden bei 25
Grad Celsius statt. Das DUT und der untere geschaltete FET sind
gleichartige Typen, wie sie in einer Halbbrückenschaltung zum
Einsatz kommen. Die Busspannung wurde auf 80 Prozent der als
Nennwert angegebenen VBR (DSS) für jeden Baustein eingestellt. Die
Gate-Ansteuerspannung betrug 15 Volt und die Länge des ersten
Impulses wurde so geregelt, dass sie den gewünschten Teststrom I F
zu dem Zeitpunkt erreichte, an dem der Sperrerholungs-Impuls
angelegt wurde. Der maximale Diodenstrom wurde auf ≤ISM begrenzt.
Beim Einschalten des Schalt-FETs für Impuls 2 ließen sich
der resultierenden Reverse-Recovery-Strom und die Spannung des
DUT auf dem Oszilloskop erfassen. Die Dauer des Impulses 2 beträgt
500 Nanosekunden, um eine Beschädigung der Testschaltung
bei einem Ausfall zu vermeiden. So lässt sich der schaltende FET
auch dann abstellen, wenn das DUT ausfällt. „Zudem würde der
Ausfall unserer Erfahrung nach innerhalb von weniger als 100 Nanosekunden
des Spitzen-IRR erfolgen“, erklärt Hemal Shah. Das
stimmt mit den Ergebnissen von Blackburn überein.
Auf die Reverse-Recovery-Performance
achten
In der Leistungselektronik wird um jedes Quäntchen, sprich Prozent,
Wirkungsgrad gekämpft. Dabei spielt die für die Applikation optimale
Technologie die entscheidende Rolle. IR diskutiert die Frage, ob
Trench-FET oder planarer Baustein. Durch seine gute Reverse-Recovery-Performance
überzeugt der Trench-FET und eignet sich so auch
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www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02 / 2011 23
©2011 Silicon Laboratories Inc. Alle Rechte vorbehalten.

Leistungsbauteile
und Powermodule
Ergebnisse auswerten
Bild 2 zeigt eine Reverse-Recovery-Wellenform von Baustein A1.
Am Anfang der Kurve floss der Strom in der Body-Diode des DUT
(violette Spur) über 10 Mikrosekunden und die V DS des DUT (grüne
Spur) lag bei ~0 Volt. Der schaltende FET wird bei 100 Nanosekunden
eingeschaltet, und der Durchlassstrom von 5 Ampere fällt
sofort in den negativen Bereich, während V DS die L di/dt-Spannung
über dem FET-Gehäuse zeigt. Die langsame Anstiegszeit von V DS
auf der führenden Flanke lässt sich auf die kombinierte C OSS des
DUT und des Schalters zurückführen. Sobald sich die Body-Diode
erholt hat, steigt die V DS sofort auf die Stoßentladung bei ~110 Volt
an; der Strom ändert seine Richtung und geht auf 0 zurück und
leitet die in der parasitären Induktivität gespeicherte Energie ab.
Der in Bild 2a dargestellte ältere Baustein zeigt eine große Reverse-Recovery-Charakteristik,
trotz niedrigen Durchlassstroms, was
typisch für diese Planar-Mosfets ist. Der Baustein fiel aus, als der
I RRM 67 Ampere erreichte, und zwar bei einem angelegten Durchlassstrom
von 17 Ampere (Bild 2b). Diesen Ausfall verursachte ein
klassischer Sekundärdurchbruch der parasitären NPN-Bipolartechnik.
Er tritt während eines normalen nachhaltigen Lawinendurchbruchs
auf, wenn die Stromdichte einen temperaturabhängigen
Schwellenwert überschreitet. Dahinter steckt der Mechanismus,
dass bei einer Erhöhung des Stroms der bipolare Baustein von
der Avalanche-Multiplication zu einer Avalanche-Injection und so
zu einem Sekundärdurchbruch übergeht. Charakteristisch dafür:
der Rückfall der V DS von VBR (DSS) auf etwa die Hälfte dieses Werts.
IR hat beim Test den Strom schrittweise erhöht – bis entweder
der Baustein ausfiel oder der maximale Source-Nennstrom erreicht
wurde. Diese Daten verdeutlicht Bild 3. Die X-Achse zeigt den angelegten
Durchlassstrom durch die Body-Diode des DUT, unmittelbar
vor dem zweiten Impuls. Die Daten sind als Stromdichte
dargestellt, indem durch die entsprechende Chipfläche dividiert
wurde. In der Y-Achse ist die Größe des resultierenden Reverse-
Recovery-Stroms aufgetragen. Die orangefarbig dargestellten Explosionen
stellen die Datenpunkte dar, an denen der Baustein aus-
Bild 1 (mitte oben):
Schaltbild eines Doppelimpulstesters.
Bild 2a (links oben): Typische Reverse-Recovery-
Wellenform eines älteren Planar-Bausteins A1.
Bild 2b (links unten): Reverse-Recovery-Avalanche-
Ausfall von Baustein A1.
Bild 3 (rechts unten): Spitzen-Source-Nennstrom
versus Durchlassstrom für die getesteten Bausteine.
gefallen ist. Die rote Trennlinie verdeutlicht die Datenaufteilung in
zwei Gruppen: die planaren Bausteine befinden sich über, alle
Trench-Komponenten unter dieser Linie. Folglich weisen planare
FETs bei einer gegebenen Durchlassstromdichte im Vergleich zu
Trench-Bausteinen eindeutig einen höheren Reverse-Recovery-
Strom pro Flächeneinheit auf. Aus diesem Grunde war es möglich,
sämtliche planare Leistungskomponenten mit einer Reverse-Recovery-Stromdichte
zu treiben. Diese verursachte im Rahmen des
maximalen Nennstroms einen Bausteinausfall. Beide GenA-Bausteine
unterschiedlicher Größe (A1 and B1) fielen bei derselben
Reverse-Stromdichte (3,98 und 4,03 Ampere pro Quadratmillimeter)
aus. Auch die beiden unterschiedlich großen GenB-Bausteine
(A2 und B2) versagten bei ähnlichen Stromdichten (5,54 und 5,26
Ampere pro Quadratmillimeter).
Ausfälle vermeiden
Im Vergleich zu Planar-Bausteinen ließ sich keiner der Trench-
Bausteine so ansteuern, dass er Ausfälle infolge eines Spitzenwerts
der Reverse-Recovery-Stromdichte verursacht hat. „Zwar haben
Trench-Bausteine ein niedrigeres UIS-Avalanche-Potenzial als ihre
planaren Pendants“, berichtet Hemal Shah. „Aber wenn man
davon ausgeht, dass sie einen ebenso verringerten Schwellenwert
der Stromdichte für einen Ausfall infolge eines parasitären NPN-
Sekundärdurchbruchs haben, war die Performance der Body-Diode
so gut, dass der Spitzenwert der Reverse-Recovery-Stromdichte
bei ungefähr 2,5 Ampere pro Quadratmillimeter lag.“ Dieser Wert
reichte nicht aus, um bei einem der getesteten Trench-FETs einen
Fehler hervorzurufen. Fazit: „Trench-FETs weisen eine im Vergleich
zu planaren Bausteinen überlegene Reverse-Recovery-Performance
auf “, fasst Hemal Shah zusammen. „Sie sollten deshalb
für schnell schaltende Anwendungen mit hohen Stromanstiegsgeschwindigkeiten
in Betracht gezogen werden.“ (eck) n
Der Beitrag basiert auf Material von Hemal Shah, Director of Strategic
Marketing bei International Rectifier in El Segundo, Kalifornien.
24 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com
Bilder: International Rectifier

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Leistungsbauteile und Powermodule
und Powermodule
Phönix aus der Asche
Leistungskomponenten auf GaN-on-Si-Basis designen
Er ist Miterfi nder der Hexfet-Technologie. Unter seiner Führung wurde International Rectifi er zu einem der führenden
Unternehmen im Bereich Power-Management. 2007 trat er als CEO des kalifornischen Unternehmens zurück,
um Ende des gleichen Jahres phönixgleich mit dem Start-Up Effi cient Power Conversion (EPC) wieder die Bühne
der Leistungselektronik zu betreten: Alexander Lidow. Und eines hat er nach wie vor mit IR gemein: die Überzeugung,
dass Galliumnitrid (GaN) das Halbleitermaterial der Zukunft ist. Autorin: Stefanie Eckardt
elektronikJOURNAL: Effi cient Power Conversion wurde Ende 2007
gegründet. Geben Sie uns einen kurzen Rückblick.
Alexander Lidow: EPC wurde im November 2007 von drei Ingenieuren
gegründet, die zusammen auf einen 60-jährigen Erfahrungsschatz
im Bereich Powermanagement kommen. Uns war klar, dass
Silizium seine Grenzen bezüglich der Performance erreicht hat. Zu
diesem Zeitpunkt war Galliumnitrid ein möglicher Kandidat, um
Silizium zu ersetzen. Allerdings waren die Herausforderungen, wie
hohe Kosten und Leistungsfähigkeit, enorm.
Dennoch haben wir uns dafür ausgesprochen, GaN-Bausteine
zu entwickeln, die bisherige Leistungsmosfets kostengünstig ersetzen
können. Im Sommer 2009 konnten wir dann mit unseren
eGaN die ersten kommerziellen GaN-FETs auf Silizium liefern, die
in einer low-cost CMOS-Foundry in Taiwan hergestellt wurden.
Damit sich unsere eGaN-FETs leicht einsetzen lassen, verhalten
sich diese Bausteine fast wie Silizium-basierte Leistungsmosfets.
EPC hat 12 Bausteine eingeführt, die Applikationen bis zu 200 Volt
abdecken. Ende 2011 wollen wir unser Produktportfolio auf 600-
Volt-Versionen aufstocken. Danach werden wir daran arbeiten,
900- und 1200-Volt-Bausteine zu entwickeln, sowie ICs, die auf der
eGaN-Technologie basieren.
Welche Applikationen wollen Sie damit ansprechen?
Unsere Zielmärkte wachsen schnell. Schlüsselapplikationen sind
Spannungsregler, wie Point-of-Load-Wandler, Power-over-Ethernet,
DC/DC-Wandler, HF-Übertragung, Solar-Micro-Umrichter,
Satelliten-Powersysteme oder Class-D-Audio-Ampli� er. EPC hat
bereits jetzt über 250 Kunden, die für ihre Produkte unsere eGaN-
FETs einsetzen. Kurzfristig sehen wir auch eine große Nachfrage in
der Leistungsfaktorkorrektur, bei Netzteilen und Motion-Control.
In Applikationen, in denen ein hoher Wirkungsgrad, nied riger
Platzbedarf oder hohe Frequenzen eine wichtige Rolle spielen,
werden eGaN-FETs herkömmliche Leistungsmosfets wohl schnell
ersetzen. Wir wollen als Erste die bisherigen Grenzen niederreißen
und Entwicklern mehr Möglichkeiten bieten, als es sie mit
Silizium gibt.
Welche Richtung schlagen Sie mit EPC ein?
E� cient Power Conversion hat es sich als Ziel gesetzt, herkömmliche
Leistungsmosfets und IGBTs weitestgehend durch eGaN-FETs
zu ersetzen. Davon ausgehend, wollen wir diese Technologie im Fotolia
-
Marktsegment analoge und digitale Powermanagement Control- Argus
ler-ICs zum Einsatz bringen. Bild:
26 elektronikJOURNAL 02 / 2011
www.elektronikjournal.com

Bild: Effi cient Power Conversion
Welche wirtschaftlichen Ziele haben Sie sich dieses Jahr gesetzt?
Wir fertigen in einer Standard-CMOS-Foundry in Taiwan und haben
so relativ niedrige Kosten. Das heißt, dass wir bereits heute in
der Lage sind, pro� tabel gegen herkömmliche Leistungsmosfets in
großen Stückzahlen anzutreten. Wir erwarten dieses Jahr, dass einige
unserer Hauptkunden mit unseren Bausteinen in Produktion
gehen, die in ihren Industriebereichen für Highlights sorgen werden.
Unser wirtscha� liches Ziel ist es, diese Bausteine erfolgreich
zu etablieren – was hier auch immer für Mühen nötig sein werden
– und gleichzeitig einen akzeptablen Gewinn zu erzielen.
Ihre Einschätzung des europäischen und amerikanischen
Leistungselektronikmarkts.
Der europäische und amerikanische Leistungselektronikmarkt hat
sich während der letzten zehn Jahre stark verändert. Die Elektronikfertigung
hat sich hauptsächlich nach Asien verlagert, allerdings
bleiben die Designaktivitäten in Europa und den USA. Darum
haben wir Application-Engineers, die mit den Kunden in Eu-
ropa und den Staaten eng an eGaN-FET-basierten Designs mit
zusätzlicher Hilfe bei Logistik und Produktion in Taiwan und China
arbeiten. Darüber hinaus haben wir mit Digi-Key einen Distributor
an der Hand, der es sich auf die Fahne geschrieben hat, innerhalb
von 48 Stunden nach Bestellung zu liefern.
China holt im Bereich Leistungselektronik auf. Sind die Chinesen
bereits als ernsthafte Konkurrenz für Europa und Amerika zu sehen?
Der chinesische Leistungselektronikmarkt wird dieses Jahr seine
stärkste Wirtscha� srate erfahren, einmal durch den Konsum der
eigenen Bevölkerung, der unterstützt wird durch den nach China
verlagerten Fertigungstrend von Amerika und Europa. Ein anderer
Punkt ist die wachsende Designexpertise, die es chinesischen
Unternehmen erlaubt, eigene Produkte für den Export zu entwickeln.
EPC hat bereits ein Netzwerk aus Verkaufs-Support und
technischem Support in China und Taiwan aufgebaut, um die dor-
Infoabend
31.5.2011
18.30 Uhr
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8004 Zürich
GaN-Bausteine überzeugen im
Vergleich zu ihrem Si-Pendant
in drei Punkten: Sie sind leistungsfähiger,
leichter einsetzbar und
zuverlässiger. Einzig die Kosten sprechen
noch für Si-Bausteine:
Dr. Alex Lidow ist CEO und Mitgründer von EPC in
El Segundo, Kalifornien.
Leistungsbauteile Leistungsbauteile und Power-
und Powermodule module
tigen Anforderungen zu unterstützen. Im Vergleich zu unseren
früheren Erfahrungen im Leistungselektronikmarkt verfügen viele
chinesische und taiwanesische Ingenieure nicht nur über fachliche
Expertise, sondern auch über die Motivation, moderne Technologien,
wie eGaN, zu adoptieren.
2011 werden China und Taiwan zusammen nach den USA unsere
größte Einnahmequelle sein; 2012 könnten sie sogar die Staaten
überholen. Allerdings werden Europa und die Staaten weiterhin
führend sein, wenn es darum geht, die GaN-Technologie für Lösungen
zu pushen, die sich mit Silizium nicht realisieren lassen.
Die Themen Nachhaltigkeit und Energieeinsparung führen zur
Diskussion Galliumnitrid versus Siliziumkarbid. Warum setzt EPC
auf GaN anstelle von SiC?
Bedingt durch den hohen Bandabstand lassen sich sowohl Galliumnitrid
als auch Siliziumkarbid für Leistungstransistoren nutzen,
die Leistungsmosfets und IGBTs leistungsmäßig erheblich übertre�
en. GaN hat jedoch den Vorteil, dass man es auf einen großen
Standard-Silizium-Wafer wachsen lassen kann. Günstigere Herstellungskosten
im Vergleich zu anderen Verfahren, eine mögliche
Dotierbarkeit und die auf Si-Substraten existierende, weit fortgeschrittene
Mikroelektronik sprechen für GaN-on-Si. Zudem können
die Wafer in hohen Stückzahlen kostengünstig in Silizium-
Wafer-Fabs produziert werden, so dass sich GaN-on-Si-basierte
Leistungsbausteine nicht hinter Leistungsmosfets aus Silizium verstecken
brauchen. Kosten-Wettbewerbsfähigkeit ist zwar eine notwendige
Bedingung, aber nicht die alles ausschlaggebende für die
Entscheidung pro Wide-Bandgap-Technologien.
Ist Silizium bereits am Ende seines Weges angekommen?
30 Jahre Erfahrung im Umgang mit Silizium-basierten Leistungsmosfets
haben uns gelehrt, dass es vier Schlüsselvariablen gibt, die
Unternehmen beein� ussen, ob sie eine Technologie annehmen
oder nicht:
Erstens: Leistungsvermögen. Was können die neuen Bausteine
besser als die herkömmlichen? eGaN-FETs sind aufgrund der ausgezeichneten
Eigenscha� en von GaN schneller und haben weniger
Leitungsverluste als Silizium-basierte Leistungsmosfets und IGBTs.
Damit können Designer die Taktfrequenz und die Leistungsdichte
ihrer Produkte erheblich steigern.
Zweitens: Leichte Nutzbarkeit. Unsere eGaN-FETs funktionieren
wie Si-Leistungsmosfets mit zwei Ausnahmen: Zum einen haben
sie eine viel niedrigere Eingangskapazität und eine maximale
Gatespannung. Dadurch bringen sie von Hause aus ein besseres
Ohne Berufsmaturität an die Fachhochschule:
Das Juventus-Zulassungsstudium
Auch ohne Berufsmaturität ist die Aufnahme in einen der Studiengänge mit
dem Ziel «Bachelor of Science» möglich. Der Weg führt über ein 9-monatiges
Zulassungsstudium, dessen erfolgreicher Abschluss die Tür zur Hochschule
für Technik Zürich (HSZ-T) öffnet.
Ein Bildungsangebot der Juventus Gruppe
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02 / 2011 27

Bild: Fraunhofer IAF
Leistungsbauteile
und Powermodule
ESD- und Überspannungs-Verhalten (Gate) mit. Zum anderen haben
sie ein besseres Frequenzverhalten als Mosfets und IGBTs, so
dass sich effizientere Designs mit einer niedrigen parasitären Kapazität
und niedrigen Widerständen realisieren lassen. Resultat:
keine unerwünschten Tran sienten. Ende des Jahres werden eGaN-
FET-Anwender auch Teiber-ICs kaufen können.
Drittens: Zuverlässigkeit. EPC und andere Hersteller GaN-basierter
Leistungshalbleiter haben mehrere Zuverlässigkeits reports
veröffentlicht, die unter http://epc-co.com/epc/Toolsand Design-
Support/ProductTraining/eGaNtradeFETReliability.aspx nachzulesen
sind. Diese Reports veranschaulichen, dass man eGaN-FETs
sicher in vielen kommerziellen Applikationen einsetzen kann.
Viertens: Kosteneffizienz. Kostenvergleiche zwischen Produkten,
die auf unterschiedlichen Technologien basieren, können
leicht in die Irre führen. Darüber hinaus spiegeln sich die Kosten
nicht immer im reinen Produktpreis wider, wenn die Balance zwischen
Angebot und Nachfrage nicht stimmig ist. Weil sich der
Markt für GaN-basierte Leistungstransistoren noch ganz am Anfang
der Entwicklung befindet, ist hier ein Kostenvergleich mit Silizium-basierten
Leistungsmosfets angebracht. Die Produktionskosten
bestehen aus folgenden Elementen:
■ Ausgangsmaterial
Epitaxial-Wachstum
■ Wafer-Herstellung
■ Test und Fertigung
■
Wie wirkt sich das auf die Kosten aus?
Weil eGaN-FETs auf Standard-Silizium-Wafern in einer Standard-
CMOS-Foundry gefertigt werden, kann man sagen, dass die Kosten
von Ausgangsmaterial, Wafer-Herstellung sowie Test und Fertigung
gleich – wenn nicht sogar niedriger sind als die für Si-basierte
Leistungsmosfets und IGBTs. Das Epitaxial-Wachstum ist
das einzige Kostenelement, wo eGaN-FETs tatsächlich schlechter
abschneiden. Allerdings bin ich auch hier der Ansicht, dass diese
Hürde schnell fallen wird: Das Verfahren der Epitaxie von GaN auf
Si-Substraten ist eine ausgereifte Technologie mit vielen Unternehmen,
die das Ganze hoch-effizient machen und automatisierte Maschinen
nutzen. MOCVD-GaN-Produktionsanlagen sind von zwei
Quellen verfügbar: Die eine ist Veeco in den Staaten, die andere
Aixtron in Deutschland. Beide stellen zuverlässige Maschinen für
das Wachstum der GaN-Epitaxie her, hauptsächlich für den LED-
Gebrauch. Keine der Maschinen sind für eine GaN-on-Si-Epitaxie
optimiert oder haben den entsprechenden Automatisierungsgrad,
der für Siliziummaschinen üblich ist. Das macht eine GaN-on-Si-
Epitaxie sicherlich teurer als heutige Si-Epitaxien. Allerdings ist
das nicht fundamental. Prozesszeiten und -temperaturen, Wafer-
GaN auf dem Vormarsch: die Forschung, etwa das Fraunhofer IAF geht voran,
Hersteller, wie EPC, folgen. Für das Material sprechen hohe Taktfrequenzen,
niedrige Leitungsverluste und der Einsatz bei hohen Temperaturen.
durchmesser, Materialkosten und Maschinenproduktivität befinden
sich alle in Entwicklung, so dass die jetzigen Grenzen bald
durchbrochen werden sollten. Innerhalb der nächsten paar Jahre,
und bei einer entsprechenden Annahme von Galliumnitrid, denke
ich, dass sich die Kosten anpassen werden.
EPC und International Rectifier haben als eine der Ersten GaN- on-
Si-basierende Leistungshalbleiter in den Markt eingeführt, die sich
zum Beispiel für DC/DC-Wandler eignen. Wie lässt sich diese
Vorreiterposition erklären?
Kürzlich hat ein weiteres kalifornisches Unternehmen – Transphorm
– angekündigt, dass es dieses Jahr GaN-basierende Leistungstransistoren
auf den Markt bringen wird. Damit können Anwender
aus drei Quellen schöpfen. Ich denke, dass führende Hersteller
im Bereich Galliumnitrid vorwärtsstrebende Unternehmen
mit einem stark technologisch geprägten Hintergrund sind. IR hat
die Leistungsmosfet-Technologie entwickelt und damit den Bipolar
transistor ersetzt. Somit hat das Unternehmen bereits Erfahrungen
darin, eine Technologie durch eine andere zu ersetzen. Es
ist nur natürlich, dass IR jetzt das gleich mit GaN machen will.
Transphorm beschäftigt Mitarbeiter, die von IR gekommen sind,
und Absolventen der University of California in Santa Barbara
(UCSB). Die UCSB hat den Weg in der GaN-Technologie für LEDs
und HF-Applikationen bereitet und daher einen exzellenten Hintergrund,
um diese Technologie in der Leistungselektronik zu unterstützen.
Ich bin mir ziemlich sicher, dass wir drei bald von anderen
Playern unterstützt werden, wenn sich herausstellt, dass Galliumnitrid
einen Ersatz für den sieben Milliarden schweren US-
Leistungsmosfet-und-IGBT-Markt ist. In der Zwischenzeit haben
wir uns überlegt, mit der in Südkalifornien ansässigen geballten
GaN-Expertise, die Region in GaN-Beach umzubenennen.
Leistungsbauteile
und Powermodule
Erneuerbare Energien sind beispielsweise ein Applikationsbereich
für Wide-Bandgap-Halbleiter. Welchen Herausforderungen muss
sich hier der Entwickler stellen?
Die größten aufkommenden Powermanagement-Märkte im Bereich
erneuerbare Energien sind Solar und Windkraft. Beide sind
Zielmärkte für eGaN-FETs, allerdings kann unser gegenwärtiges
Produktportfolio nur den Solarbereich abdecken. Solarwechselrichter
für Massenmärkte entwickeln sich schnell von zentralisierten
Umrichtern in Micro-Umrichter, wo jedes Solarpanel über einen
eigenen intelligenten DC/AC-Wandler verfügt. Mit dem Trend
nach kompakten Leichtgewichten kommt auch die Anforderung
nach hoher Leistungsdichte und hoher Energieeffizienz. Das sind
zwei Eigenschaften, mit denen eGaN-FETs im Vergleich zu Silizium-Leistungsmosfets
glänzen. Ein ausgezeichnetes Leitvermögen
und effizientes Schaltverhalten erhöht den Ertrag des Solarpanels.
Hohe Taktfrequenzen machen außerdem kleinere und leichtere
Micro-Umrichter möglich.
Ein Einsatzfeld für GaN-basierte Leistungshalbleiter ist E-Mobilität...
Der E-Mobility-Powermanagement-Markt wächst gerade sehr
schnell aufgrund des riesigen Bedarfs an kabellosen Bandbreiten.
Die Nachfrage nach Smartphones und Video-on-Demand und damit
nach mehr Base-Stations mit 4G- und WiMax-Fähigkeiten,
sowie nach Micro-, Pico- und Femto-Stationen, nimmt stetig zu.
Diese Produkte benötigen viele HF-Komponenten und sind power-sensitiv.
eGaN-FETs beseitigen beide Probleme, weil sie mit
niedrigen Leitungsverlusten und hohen Taktfrequenzen punkten.
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28 elektronikJOURNAL 02/2011
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specially optimized concept for integration in wind turbine converter and solar
applications. The most important benefits are improved thermal properties, low
stray inductance and longest lifetime. With the introduction of the PrimePACK
housing, Infineon established a standard for high power IGBT modules world-
wide. Under permanent load in daily demanding use of renewable energy appli-
cations in rough environment with high humidity and salt content in the air the
PrimePACK modules convince with their high reliability and robustness.
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Leistungsbauteile und Powermodule
und Powermodule
Auf einen Blick
Prädestinierte Bausteine für die Solarindustrie
Intelligente Leistungsmodule kommen vor allem im Hochleistungsbereich
zum Einsatz, insbesondere in der Solar- und Windenergie,
aber auch für Schienenfahrzeuge. Bestandteil der Module sind IGBTs,
die störungsfest und temperaturunabhängig sein und Schaltfunktionen
ausführen sollen, um hohe Ströme möglichst verlustfrei übertragen
zu können. Da gilt es, einen besonders intensiven Blick auf die
Leistungshalbleiter zu werfen und diese aus einer möglichst breiten
Basis auszuwählen.
infoDIREKT www.all-electronics.de 108ejl0211
30 elektronikJOURNAL 02 / 2011
www.elektronikjournal.com

Let the sun shine
Power-Module für die Photovoltaik optimieren
Leistungsbauteile Leistungsbauteile und Power-
und Powermodule module
Energie in ihren diversen Formen ist ein wichtiges Gut in sämtlichen technologischen, wirtschaftlichen und
gesellschaftlichen Bereichen – steht aber nun einmal nicht unbegrenzt zur Verfügung. An dieser Stelle kommen
vor allem erneuerbare Energien, wie Solar- und Windenergie zum Tragen – wichtige Applikationsbereiche für
Leistungsmodule. Welchen Herausforderungen sich ein Modulhersteller heutzutage stellen muss, zeigt
Vincotech im nachfolgenden Beitrag.
Die Themen Nachhaltigkeit und Energieeinsparung verlangen
von Ingenieuren, Managern und Einkäufern
neue Strategien bei der Konzeption und Entwicklung
moderner Produkte. „So ist bei der Auswahl des Power-
Moduls nicht immer der Weg zu den bekannten Größen der
Branche der Richtige“, betont Andreas Johannsen, Produkt Marketing
Manager bei Vincotech in Unterhaching bei München und
erklärt, warum: „Eine systemübergreifende Optimierung ist gerade
im Bereich der Leistungshalbleiter äußerst wichtig, Flexibilität
bei Design und Auswahl von Komponenten, bringt hier den entscheidenden
Vorteil.“ Der Markt für Power-Module ist in den
vergangenen Jahren sehr stark gewachsen. Das lässt sich zum einen
mit etlichen technischen Vorteilen begründen. Zum anderen
liegt das aber auch in der Möglichkeit, kompakte, zuverlässige
Systeme zu entwickeln und zu produzieren, was die Arbeit von
Einkauf, Entwicklung und Fertigung erheblich vereinfacht: Die
Notwendigkeit, Korrekturen durchzuführen, nimmt ab und die
Designzyklen werden kürzer; zum Beispiel lässt sich die EMV-
Optimierung deutlich vereinfachen. Aufbauten mit diskreten
Leistungshalbleitern benötigen hingegen in der Regel mehrere
teure und auch zeitintensive Designoptimierungen.
Power-Module bieten bei Systemen, wie
Solarumrichtern, entscheidende Vorteile,
gerade bei höheren Leistungen, komplexeren
Schaltungstopologien und hohen Anforderungen
an die Lebensdauer:
Andreas Johannsen, Produkt Marketing Manager Power-Module von
Vincotech in Ottobrunn bei München.
Photovoltaik als Antriebsmotor
Doch nicht nur der Wunsch nach schnelleren und komfortableren
Lösungen treibt den Markt für Power-Module an. Das Thema
Energieeffizienz hat stark an Bedeutung gewonnen, was durch
den Boom der Solarenergie sowie der zunehmenden Nachfrage
nach USV-Systemen noch forciert wird. „Jeder Bruchteil in der
Verbesserung von Zuverlässigkeit oder Effizienz lässt sich hier in
bare Münze umrechnen“, weiß Andreas Johannsen. Die erwartete
Lebensdauer für solche Systeme liegt bei mehr als 20 Jahren und
das, insbesondere bei USV-Anlagen, im permanenten Betrieb.
Die zum Einsatz kommenden Komponenten und die Schaltungstopologie
haben einen direkten Einfluss auf Zuverlässigkeit und
Profitabilität des Systems. Folglich stellt deren Auswahl eine zentrale,
strategische Aufgabe dar und sollte mit äußerster Sorgfalt
getroffen werden.
„Der Markt für Leistungshalbleiter erlebt, nicht zuletzt getrieben
durch die bereits erwähnten Faktoren, einen wahren Boom
an neuen Komponenten“, berichtet Andreas Johannsen. „Doch
nicht nur die etablierten Hersteller kommen in immer schnelleren
Zyklen mit neuen Produkten auf den Markt. Auch immer
mehr neue Hersteller erweitern den Kreis.“ Um die beste Schal-
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02/2011 31
Bild: James Thew - Fotolia

Leistungsbauteile
und Powermodule
Bild 1 (links): Schaltung des FZ06NPA070FP mit
Parallel-Switch, einer Kombination aus Mosfet und
IGBT, als äußerem Schalter.
Bild 2 (oben): Typischer Stromfluss bei Mosfet und
IGBT im Parallel-Switch beim Schaltzyklus.
Bild 3 (rechts): Vergleich des Wirkungsgrades eines
einfachen Mosfets mit der Parallelschaltung von
IGBT und Mosfet in einem Power-Modul bei 6 und
10 Kilowatt Ausgangsleistung pro Phase.
tung in Hinsicht auf Effizienz, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit
zu erhalten, bedarf es einer möglichst breiten Auswahl aller
verfügbaren Komponenten. Unabhängigkeit und Flexibilität sind
hierfür zen trale Kriterien.
Power-Modul als Subsystem einsetzen
Zunehmender Wettbewerb, verbunden mit hohen Anforderungen
von Seiten des Marktes, stellen Unternehmen vor neue Herausforderungen.
Der Zwang zur Optimierung betrifft mittlerweile sämtliche
Bereiche einer Produktentwicklung. Das gilt ganz besonders
für Komponenten mit hohem Integrationsgrad, wie den Power-
Modulen.
Power-Module haben sich aufgrund der hohen Zuverlässigkeit,
der niedrigen Montagekosten und der langen Lebensdauer sowie
der hohen Lastwechselfestigkeit in Verbindung mit hoher Leistungsdichte
mittlerweile als Standard in Frequenzumrichtern für
Industrieantriebe etabliert. In anderen Bereichen, wie bei Solarum
richtern, ist das bisher nicht der Fall. Hier ist das primäre Ziel
nach wie vor ein möglichst hoher Wirkungsgrad. Das lässt sich
durch zunehmend komplexe Schaltungstopologien, beispielsweise
Heric, H5, NPC, Mixed-Voltage-NPC oder ähnliche, in Verbindung
mit Halbleitern, auf dem aktuellen Stand der Technik erzielen.
„Bisher wurde die optimale Lösung zumeist durch die Auswahl
diskreter Halbleiter von verschiedenen Anbietern erzielt“,
blickt Andreas Johannsen zurück und unterstreicht: „Angesichts
der größeren Komplexität dieser Schaltkreise, höherer Leistungen
und der größeren Produktionsvolumen, wäre der Einsatz eines
Power-Moduls als Subsystem heute der nächste logische Schritt.“
Allerdings ist dieser Schritt nicht ohne Hürden. Viele Power-
Modul-Hersteller produzieren auch Leistungshalbleiter. Die Verwendung
von Komponenten eines direkten Wettbewerbers im eigenen
Power-Modul ist deshalb nicht immer unproblematisch und
nach Aussagen von Andreas Johannsen vielfach sogar unmöglich
– auch wenn das manchmal die bessere und effizientere Wahl für
die geplante Applikation darstellen würde.
Keinen Zwängen unterliegen
Einen großen Vorteil haben hier Power-Modul-Hersteller, die
nicht direkt von einem Halbleiterhersteller abhängen. Sie können
aus dem kompletten Spektrum an verfügbaren Halbleitern auswählen
und so eine optimale Lösung anbieten. „Ein gutes Beispiel
hierfür ist das FZ06NPA070FP, ein Modul der flowNPC 0 Familie
von Vincotech“, ist Andreas Johannsen überzeugt. „Es kombiniert
Chips unterschiedlicher Hersteller in einer extrem inno vativen
Schaltungstopologie.“ Bild 1 zeigt den Schaltplan des FZ06 NPA-
070FP, das die Halbleiter für eine Phase eines Dreiphasen-Neutral-
Point-Clamped-Solarinverters (NPC) enthält. Die äußeren Schalter
bestehen aus einer Parallelschaltung eines Mosfets und eines
IGBTs. Diese werden in der Anwendung mit der schnellen PWM
getaktet und dienen zur Ausformung der sinusförmigen Ausgangsspannung.
Der Mosfet verhindert dabei hohe Verluste, während
der IGBT die Leistungsverluste im durchgeschalteten Zustand
übernimmt. Beim Ausschalten lässt sich so der bei IGBTs übliche
Schweifstrom eliminieren, eine Hauptursache für hohe Schaltverluste.
Bild 2 zeigt die Stromkurve der beiden Komponenten während
eines kompletten Schaltzyklusses.
Leider hat die Parallelschaltung von IGBT und Mosfet einen
Nachteil: Viele IGBTs haben ohne anliegende Kollektor-Emitter-
Spannung Probleme, die Ladungsträger aus der leitenden Schicht
zu räumen. Deshalb kann der IGBT bei eingeschaltetem Mosfet
nicht vollständig sperren; ein zusätzlicher Schweifstrom entsteht
nach Ausschalten des Mosfets. Die im FZ06NPA070FP verwendeten
PT-IGBTs haben dieses Problem nicht. Bild 3 zeigt einen Effizienz
ver gleich zwischen dem FZ06NPA070FP mit Parallel-Switch
und dem FZ06NRA045FH mit einfachen Mosfets. Hier wird der
Wirkungsgrad bei unterschiedlicher nominaler Ausgangsleistung
verglichen. Beide Module verwenden in Summe die gleiche Chipfläche.
Die reine Mosfet-Variante zeigt im unteren Leistungsbereich,
aufgrund des linearen Mosfetwiderstands, leicht bessere
Werte. Über den gesamten Lastbereich ist die parallele Variante
allerdings klar im Vorteil und kann durch die höhere Effizienz bei
gleicher Chipfläche für höhere Leistungen eingesetzt werden.
Fazit
„Power-Module bieten bei Systemen, wie Solarumrichtern oder
USV-Anlagen, entscheidende Vorteile, gerade bei höheren Leistungen,
komplexeren Schaltungstopologien und hohen Anforderungen
an die Lebensdauer“, fasst Andreas Johannsen zusammen.
„Um eine optimale Systemperformance zu erreichen, sollten die
verwendeten Leistungshalbleiter sorgfältig und aus einer möglichst
großen Basis ausgewählt werden. Vincotech als Spezialist für die
Fertigung von Power-Modulen und umfassendem Anwendungswissen
ist der optimale Partner für so einen Prozess.“ (eck) n
Der Beitrag basiert auf Material von Andreas Johannsen, Vincotech in
Ottobrunn bei München.
32 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com
Bilder: Vincotech

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Leistungsbauteile und Powermodule
und Powermodule
SiC transit
gloria Silizium
Schaltverluste mit 1200-V-SiC-
Leistungsmosfet reduzieren
Silizium adieu? Es scheint zumindest so, denn Cree hat
den CMF20120D vorgestellt – einen Siliziumkarbid-
Mosfet, mit dem sich im Leistungselektronikbereich
ganz neue Türen auftun könnten. Denn das vielversprechende
Halbleitermaterial SiC punktet mit hohen
Schaltfrequenzen, so dass sich Platzbedarf, Gewicht
und Kosten in der Applikation reduzieren.
Cree hat Leistungsmosfets auf Siliziumcarbid-Basis (SiC) in
den Markt eingeführt, die die bisherigen Silizium-Produkte
in der Hochvolt-Leistungselektronik ab 1200 V ersetzen
dürften. Vorteil: Weil er sich mit höherer Frequenz
betreiben lässt, sorgt der SiC-Mosfet CMF20120D im Vergleich zu
Siliziumbausteinen für erhebliche System-Wirkungsgrad-Verbesserungen
sowie kleinere Maße, ein niedrigeres Gewichts und weniger
Gesamtsystemkosten. Er erreicht oder übertrifft die Schaltgeschwindigkeit
von Siliziummosfets und senkt die Schaltverluste
in vielen Anwendungen um bis zu 50 Prozent. „Die Einführung
unseres SiC-Leistungs-Mosfets ist das Ergebnis mehrjähriger Arbeit
im Bereich der Materialforschung, der Prozessentwicklung
und des Bauelemente-Designs“, unterstreicht Paul Kiersteadt, Di-
rector of Marketing SiC Power Products bei Cree in Durham, USA.
„Unter dem Strich bedeutet das, dass der industrieweit erste ‚ideale‘
Hochspannungs-Schaltbaustein keine Utopie mehr ist, sondern
kommerziell angeboten wird und sofort für das Design-in zur Verfügung
steht. Zusammen mit unseren SiC-Schottkydioden für
600 V, 650 V, 1200 V und 1700 V haben wir damit eine neue Klasse
von SiC-Leistungsbausteinen geschaffen.“
Infoabend
9.6.2011
18.45 Uhr
Lagerstrasse 41
8004 Zürich
Die PCIM ist für uns die optimale
Plattform, um der Branche zu
zeigen, was mit SiC-Kompo-
nenten technisch möglich ist und welche
Vorteile für den Anwender entstehen:
Paul Kierstead, Director of Marketing SiC Power
Products bei Cree im amerikanischen Durham
Features: Der CMF20120D verfügt über eine Sperrspannung
von bis zu 1200 V und einen On-Widerstand (R DS(on) ) von 80 mΩ
bei 25 °C. Pluspunkt: Der On-Widerstand bleibt über den gesamten
Temperaturbereich unter 100 mΩ. Aufgrund der gleichbleibenden
Performance-Charakteristika bei allen Betriebsbedingungen
und der Mosfetarchitektur – in Grundstellung gesperrt – ist
die Komponente für Schalt-Anwendungen in der Leistungselektronik
prädestiniert. Applikationsbereiche: PV-Wechselrichter,
Hochspannungs-Netzteile oder Netzaufbereitungs-Einheiten.
Neben dem niedrigen On-Widerstand glänzt der Leistungsbaustein
mit weiteren Vorzügen: Im Vergleich zu Siliziummosfets oder
IGBTs mit ähnlichen Kenndaten brachte es der CMF20120D in
den von Cree durchgeführten Tests auf eine niedrige Gate-Ansteuerenergie
von Qg < 100 nC über den empfohlen Eingangsspannungsbereich.
Die Leitungsverluste werden durch die Vorwärtsspannung
VF von unter 2 V bei einem Strom von 20 A minimiert.
Zudem verbessert der Baustein – wiederum im Vergleich mit Silizium-IGBTs
– den Systemwirkungsgrad um bis zu 2 Prozent und
lässt sich mit der zwei- bis dreifachen Schaltfrequenz betreiben.
Der höhere Wirkungsgrad führt zu einem niedrigeren Temperaturniveau
im Betrieb. (eck) n
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Durch den schaltungsoptimierten
Einsatz
des CMF20120D
SiC-Mosfets lässt sich
der Wirkungsgrad der
Applikation im
Vergleich zu Silizium-
basierten Komponenten
steigern.
34 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com
Bilder: Cree

Am Rande des hauseigenen World
Press Event in Rom kündigte Toshiba
eine Erweiterung seiner Power-Mosfets
an. Die PIMOS-VII-
Serie (planar) ist in viel feineren
V DSS -Abstufungen als bisher verfügbar:
200, 250, 300, 450, 500,
525, 550, 600 und 650 V. Außer-
Die Opti-MOS-Mosfets für mittlere
Spannungsklassen von Infineon
Technologies gibt es ab sofort
in Can-PAK-Gehäusen (mit Direct-
FET-Technologie von IR). Einsatzbereiche:
Gleichstrom-Umrichter,
Solar-Mikrowechselrichter, MPP-
Tracker in Solaranlagen, Niederspannungsantriebe
oder synchro-
Leistungsbauteile
und Powermodule
Leistungsmosfet in planarem und in Super-Junction-Aufbau
Die passende Spannung
dem sollen sich die Namen künftig
systematisch und nachvollziehbar
aus wichtigen Parametern
zusammensetzen. Verfügbare Gehäuse:
TO-220SIS, TO-3P(N) und
DPAK. Für die TO-220SIS gibt es
eine verbesserte „Warp Line“ mit
Kupfer-Bonding, das einen niedrigeren
Anschlusswiderstand und
eine bessere Wärmeabfuhr verspricht.
Auf der PCIM will Toshiba
auch die Super-Junction-Serie
DTMOS III zeigen mit V DSS = 600 V
und 650 V sowie kleinerem R DS(on) .
infoDIREKT 502ejl0211
Mosfets
Leistungsumrichter effizient designen
Bild: Infineon
SiC-Schottkydioden
Das Sperrverzögerungsverhalten optimieren
Bild: Toshiba
diese Weise um zwei Drittel minimiert,
was auch die Wärmeentwicklung
entsprechend senkt. Die
SiC-Produkte gewährleisten darüber
hinaus bei Temperaturwechseln
einen stabileren Betrieb als
Silizium-FRDs, so dass kleinere
Kühlkörper zum Einsatz kommen
können. Applikationsbereiche:
Rohm hat mit der Baureihe SCS- Leistungsfaktorkorrektur (PFC),
110A Siliziumkarbid-Schottkydio- Wandler und Wechselrichter für
den entwickelt, die über eine Hybrid- und Elektrofahrzeuge, Kli-
Sperrverzögerungszeit (trr) von maanlagen oder Sonnen kollek-
15 ns verfügen. Die aus dem
Sperrverzögerungsverhalten retoren-Inverter.sultierenden
Verluste werden auf infoDIREKT 123ejl0211
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sich durch eine hohe
Leistungsdichte, Effizienz
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Kühlung realisieren – fast
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dauernd unter Kontrolle und erkennt zuverlässig
den Verschleiß und den Bruch aller Stempel.
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smartCONTROL erkennt Verformungs- und Oberflächenfehler
durch Grat, Materialrückstände,
Butzen oder Doppelblech.
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Stromversorgungen und
Powermanagement
Ausgebremst
DC/DC-Wandler mit SFB-Technology verhindern Spannungsabfall
Um Standard-Leitungsschutzschalter magnetisch und damit schnell auslösen zu können, müssen DC/DC-Wandler
kurzzeitig ein Vielfaches ihres Nennstroms liefern. Mit der Selective-Fuse-Breaking-Technology (SFB) stellt
Phoenix Contact diese Leistungsreserve nun auch für DC/DC-Wandler zur Verfügung. Autorin: Anja Moldehn
RAC_420x80_0411_Layout 1 3/31/2011 12:25 AM Page 1
Leerlauf-Verbrauch von 30mW übertrifft EuP-Richtlinie um Faktor 16:
NEU!
AC/DC Mini-Power mit 5 Sternen
RECOMs neue Mini-Power-Netzteile
sind mit einer Leistung von
1 Watt bis 6 Watt für Standby-
Applikationen konzipiert. Mit nur
30mW im Leerlauf (RAC01) unterbieten
sie die in der EuP-Richtlinie
für 2013 geforderten Grenzwerte
bis Faktor 16.
Die weltweit einsetzbaren Mini-
Netzteile sind bis 3kVAC isoliert,
gegen Überlast, Kurzschluss sowie
Überhitzung geschützt und UL/EN
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Bild: Kalle Kolodziej - Fotolia

Die Anwendungsgebiete von DC/DC-Wandlern sind vielfältig.
Ihr Job: Sie wandeln Spannungen, um Spannungsebenen
einander anzupassen. Auf langen Versorgungsleitungen
heben die Geräte die Spannung an und gleichen
so verlustbedingte Spannungsgefälle aus. Außerdem trennen sie
Stromkreise galvanisch voneinander und schützen sensible Verbraucher
durch deren Entkopplung. Auf diese Weise sind kritische
Lasten vor störenden Verbrauchern geschützt. Schaltet beispielsweise
ein Motor ein, der im Anlaufmoment einen hohen Strom
benötigt, kommt es zu einem kurzen Spannungseinbruch. Gleiches
passiert, wenn Lasten mit hohen Eingangskapazitäten zugeschaltet
werden. Bei solchen temporären Störungen gestaltet sich die Fehlersuche
in der Regel schwierig und zeitaufwendig.
DC/DC-Wandler bieten sich auch in batteriegestützten Versorgungsnetzen
oder Lösungen mit ungeregelten Transformatoren an,
wenn sensible Verbraucher mit einer stabilen 24 Volt Gleichspannung
versorgt werden müssen.
Nennausgangsspannung stufenlos einstellen
In ausgedehnten Anwendungen, wie Buchbindereimaschinen,
Walzwerken oder Abfüllanlagen, sind große Distanzen zwischen
den einzelnen Stationen zu überbrücken. Zur zentralen Belieferung
der Verbraucher mit 24 Volt Gleichspannung eignen sich daher
Kabel mit großem Querschnitt. Sind die Leitungen nicht ausreichend
dimensioniert, treten Spannungsabfälle auf, die zu einem
Ausfall oder Reset der Steuerungen führen können. Große Kabelquerschnitte
ziehen jedoch höhere Installationskosten nach sich.
Als Alternative frischen DC/DC-Wandler deshalb die Spannung
auf langen Leitungen auf.
Leitungsquerschnitte optimal auswählen
Bei der Wahl der Leitungsquerschnitte ist nicht nur die zulässige
Kabelerwärmung zu beachten. Die Verlustleistung auf der sekundärseitigen
Versorgungsleitung erhöht sich mit zunehmendem
Strom und steigender Leitungslänge linear. Als Beispiel sei eine 30
Meter entfernt gelegene Last angeführt, die mit 10 Ampere versorgt
werden soll. Dazu wurde ein Kupferkabel mit einem Querschnitt
von 1,5 Quadratmillimeter verlegt. Bei einer Ausgangsspannung
der Stromversorgung von 24 Volt DC liegen nur knapp
17 Volt DC am Verbraucher an.
So bewirken Stromversorgungen von Phoenix Contact eine Erhöhung
der Ausgangsspannung. Daher lässt sich die Produktfamilie
Quint Power mit 24 Volt DC Nennausgangsspannung stufenlos
von 18 bis 29,5 Volt DC einstellen. Wird die Ausgangsspannung im
Mit einer Leerlaufleistung

Bilder: Phoenix Contact
Stromversorgungen und
Powermanagement
Funktionen präventiv überwachen
Die Quint DC/DC-Wandler von Phoenix Contact arbeiten mit
Eingangsspannungen von 18 bis 32 Volt DC und stellen dabei Ausgangsspannungen
von 18 bis 29,5, von 5 bis 18 oder von 30 bis 56
Volt DC zur Verfügung. Erstmals ist die aus der Baureihe Quint
Power bekannte Selective-Fuse-Breaking-Technology nun auch
für DC/DC-Wandler verfügbar.
Die dynamische Leistungsreserve löst Standard-Leitungsschutzschalter
innerhalb weniger Millisekunden zuverlässig aus. Dazu
liefern die Geräte für zwölf Millisekunden den sechsfachen
Nennstrom. Fehlerha� e Strompfade werden selektiv abgeschaltet,
der Fehler ist eingegrenzt und wichtige Anlagenteile bleiben in Betrieb.
Aufgrund der kontinuierlichen Überwachung von Ausgangsspannung
und -strom ist eine umfassende Diagnose möglich. Diese
präventive Funktionsüberwachung visualisiert kritische Betriebszustände
und meldet sie der Steuerung, bevor Fehler in der
Anlage au� reten. Mit der statischen Leistungsreserve Power Boost
starten selbst Lasten mit hohem Einschaltstrom zuverlässig.
Phoenix Contacts Produktportfolio umfasst derzeit fünf DC/
DC-Wandler der Quint-Familie mit Nennströmen von 5 bis 20
Infokasten
Leitungsschutzschalter zuverlässig auslösen
Mit Kleinspannungstransformatoren lassen sich Leitungsschutzschalter
innerhalb weniger Millisekunden auslösen, da die Geräte den erforderlichen
hohen Strom bereitstellen. Die Trafos sind jedoch in den
letzten Jahren häufi g durch primär getaktete Schaltnetzteile ersetzt
worden, auf deren Vorteile, wie eine geregelte Ausgangsspannung
oder höherer Wirkungsgrad, die Anwender nicht verzichten möchten.
Bislang waren DC/DC-Wandler allerdings nicht in der Lage, im Kurzschlussfall
einen derart hohen Strom zu liefern. Die DC/DC-Wandler
Quint vereinen nun die Vorteile eines Schaltnetzteils mit dem hohen
Kurzschlussstrom eines Trafos. Durch die Verwendung der SFB-Technologie
ermöglichen sie das magnetische Auslösen von Leitungsschutzschaltern.
Dafür stellt beispielsweise das 20-Ampere-Modul
120 Ampere für 12 Millisekunden zur Verfügung. Weitere angekoppelte
Lasten laufen trotz des aufgetretenen Kurzschlusses unterbrechungsfrei
weiter.
infoDIREKT www.all-electronics.de 107ejl0211
Bild 1 (oben): Mit drei Stromversorgungen der Ausgangsspannungen
12, 24 und 48 Volt DC lässt sich ein
Spannungsbereich von 5 bis 60 Volt DC abdecken.
Bild 2 (links): Klebebinder des Buchbindereimaschinen-
Herstellers Kolbus werden mit dem dreiphasigen Quint-
Power-Netzteil versorgt (24 Volt / 40 Ampere), das sich in
einem dezentralen Schaltschrank befi ndet.
Ampere. DC/DC-Wandler aus der Produktlinie Mini im modularen
Elektronikgehäuse zeichnen sich unter anderem durch ihre
schmale Bauform von 22,5 Millimeter aus. Sie sind für Nennströme
von 0,7, 1 oder 2 Ampere ausgelegt. Eingangsspannungen von
12 bis 24 Volt oder 48 bis 60 Volt werden am Ausgang zu Nennspannungen
von 12, 24 oder 48 Volt gewandelt. Codierte Combicon-Steckverbinder
sorgen für den schnellen und wartungsfreundlichen
Anschluss.
Auf hohe Robustheit setzen
Aufgrund des Temperaturbereichs von minus 25 bis plus 70 Grad
Celsius eignen sich die Quint DC/DC-Wandler für Anwendungen
mit hohen Ansprüchen an die Temperaturbeständigkeit. Eine
Schockbelastung bis 30 g gemäß IEC 60068-2-27 sowie die Resistenz
gegen Vibrationen bis 2,3 g nach IEC 60068-2-6 stellen die
einwandfreie Funktion der Geräte auch unter starker mechanischer
Beanspruchung sicher. (eck) ■
Die Autorin: Anja Moldehn, Mitarbeiterin im Produktmarketing
Stromversorgungen, Phoenix Contact Electronics, Bad Pyrmont.
Bild 3: Die DC/DC-
Wandler Quint liefern
am Ausgang Nenn-
spannungen von
12, 24 und 48 Volt DC.
38 elektronikJOURNAL 02 / 2011
www.elektronikjournal.com

Programmierbare Labornetzgeräte
Serie PS 8000 T und PSI 8000 T
• Leistungen 320W bis 1500W
• Spannungen 16V bis 360V DC
• Ströme 5A bis 60A
• μ-Prozessor gesteuert
• Tischversion im Tower-Gehäuse
• Alle Werte im grafischen Display
• Flexible Ausgangsstufe
• Speicherbare Gerätekonfiguration
• Integrierte Sequenz-Funktion
• Innenwiderstandsregelung
• Schnittstellen: Analog / CAN /
IEEE / Ethernet / RS232 / USB /
Profibus / Bedienersoftware
Programmierbare Einbaunetzgeräte
Serie PSI 800 R
• Leistungen 320W bis 1500W
• Spannungen 16V bis 360V DC
• Ströme 5A bis 60A
• μ-Prozessor gesteuert
• Einbaugehäuse
• Alle Werte im grafischen Display
• Flexible Ausgangsstufe
• Speicherbare Gerätekonfiguration
• Analogschnittstelle
• Fernfühlung
• Schnittstellen: Analog / CAN /
Ethernet / RS232 / USB / Profibus /
Bedienersoftware
Programmierbare
Elektronische DC-Lasten
• Leistungen 400W bis 100kW
• Spannungen 80V bis 750V DC
• Ströme 50A bis 600A
• μ-Prozessor gesteuert
• Betriebsmodi CC+CV+CP+CR
• Alle Werte gleichzeitig im Display
• Für automatische Prüfsysteme
• Luft- oder wassergekühlt
• Dynamische Testfunktionen
• Batterietestfunktion
• Schnittstellen: Analog / CAN /
IEEE / Ethernet / RS232 / USB /
Profibus / Bedienersoftware
Das komplette Stromversorgungsprogramm
Programmierbare Labornetzgeräte
Serie PS 8000 DT und PSI 8000 DT
• Leistungen 320W bis 1500W
• Spannungen 16V bis 360V DC
• Ströme 5A bis 60A
• μ-Prozessor gesteuert
• Tischversion im Design-Gehäuse
• Alle Werte im grafischen Display
• Flexible Ausgangsstufe
• Speicherbare Gerätekonfiguration
• Integrierte Sequenz-Funktion
• Innenwiderstandsregelung
• Schnittstellen:
Analog / CAN / IEEE / Ethernet
RS232 / USB / Bedienersoftware
Programmier- und Parametrierbare
digitale und analoge Schnittstellen
• Schnittstellen:
Analog galvanisch getrennt / CAN /
IEEE / Ethernet / RS232 / USB
• Steckkarten leicht nachrüstbar
• Plug and Play
• Leichte Konfiguration am Gerät
• Galvanische Trennung bis 2000V
• Umfangreiche Bedienersoftware
• Umfangreiche LabView VI´s
• Vernetzung von Geräten PSI 9000
• Für automatische Prüfsysteme
• Für viele EA-Serien geeignet
Programmierbare Batterieladegeräte
für alle aufladbaren Batterien
• Leistungen 160W bis 150kW
• Spannungen 0...2V bis 1500V DC
• Ströme 0...5A bis 5100A
• μ-Prozessor gesteuert
• Einbauversion und 19“-Einschub
• Alle Werte im grafischen Display
• Programmierbar für alle Lithium-Batterien
• Programmierbar für alle Blei-Batterien
• Für NiMh und NiCd Batterien
• Temperaturkompensation
• Schnittstellen:
Analog / CAN / Ethernet / RS232
USB / Profibus / Bedienersoftware
EA Elektro-Automatik GmbH & Co. KG Helmholtzstr. 31- 33 D-41747 Viersen Tel: +49 (0) 21 62 / 37 85 -0 Fax: +49 (0) 21 62 / 1 62 30
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Programmierbare Labornetzgeräte
Serie PS 8000 und PSI 8000
• Leistungen 640W bis 150kW
• Spannungen 0...32V bis 1500V DC
• Ströme 0...10A bis 5100A
• μ-Prozessor gesteuert
• Tischversion und 19“-Einschub
• Alle Werte im grafischen Display
• Flexible Ausgangsstufe
• Speicherbare Gerätekonfiguration
• Integrierte Sequenz-Funktion
• Innenwiderstandsregelung optional
• Schnittstellen: Analog / CAN /
IEEE / Ethernet / RS232 / USB /
Profibus / Bedienersoftware
19“ Einschubnetzteile
für Baugruppenträger DIN 41494
• Leistungen 58W bis 240W
• Spannungen 3,3V, 5V, 12-15V, 24V
• Ströme 2,5A bis 30A
• Weiteingang 90-264V AC / 90-360V DC
• Hoher Wirkungsgrad bis 92%
• Aktive PFC (Leistungsfaktorkorrektur)
• Einzel-, Doppel- & Dreifachausgang
• Alle Ausgänge einzeln geregelt
• Fernfühleingang, Extern Ein / Aus
• Überspannungsschutz (OVP)
• Übertemperaturschutz (OTP)
• Power sharing für Parallelschaltung
• 48V Systeme auf Anfrage verfügbar
Batterieladegeräte
für alle aufladbaren Blei-Batterien
• Leistungen 160W bis 3000W
• Spannungen 12V bis 720V DC
• Ströme 5A bis 120A
• μ-Prozessor gesteuert
• Einbauversion und 19“-Einschub
• Programmierbar für alle Blei-Batterien
• Temperaturkompensation
• Parallelbereitschaftsbetrieb als Netzgerät
• 4-Stufen Ladekennlinie
• Tiefentladeerkennung
• Verpolungsschutz
• LED´s für Zustandsanzeige
• Analogschnittstelle
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02/2011
39

Stromversorgungen und
Powermanagement
Unter schwarzer Flagge
Markenpiraterie: Fälschungen im Elektronikbereich bekämpfen
Markenpiraterie – das Thema ist nicht neu. Ob bei Bekleidung, Uhren, Schmuck, Software oder Elektronik –
Fälschungen sind überall zu finden. Sofern der Endverbraucher damit einverstanden ist, mag das vielleicht gehen.
Wird er aber wissentlich durch gefälschte Logos getäuscht, hört nicht nur der Spaß auf – in der Elektronik kann
es schnell gefährlich werden, wenn die Sicherheit betroffen ist.
Produktpiraterie – kein neues Thema. Sofern der Anwender
erkennen kann, dass es sich um eine Fälschung handelt
und er damit einverstanden ist, mag sich alles im Rahmen
bewegen. „Wird er aber durch gefälschte Logos getäuscht,
kann aus einem vermeintlichen Gewinner schnell ein Verlierer
werden“, kommentiert Reinhard Zimmermann, Produkt Marketing
Manager von Recom Electronic in Dreieich die brenzlige Situation.
Gefährlich kann das Ganze werden, wenn es sich bei den
Fälschungen um Bauteile handelt, die in Serie verbaut werden.
Dann sind ganze Serien hochwertiger Maschinen tangiert und der
Hersteller haftet für Risiken, die er nicht zu haben glaubte oder die
ihm nicht einmal bewusst waren.
In einer Grauzone zwischen Legalität und Illegalität bewegen
sich Produkte, die dem Original nachempfunden sind, aber unter
eigenem Namen verkauft werden. Hier sind die Grenzen fließend.
Ist die Ähnlichkeit vertretbar, ist von einem so genannten Me­too­
Produkt die Rede. Ist sie zu groß, handelt es sich um ein Plagiat.
Ansichtssache: Kopie oder kreatives Re-Engineering?
In Asien gehen inzwischen Massen von iPhones über den Ladentisch,
bei denen der Verkäufer ganz offen einräumt, dass es sich um
Kopien handelt. Diese heißen dann beispielsweise thaiPhone. Wer
möchte, bekommt das Apple­Symbol zum Aufkleben als Goodie
mit dazu. Ganz klar – das sind keine Me­too­Produkte mehr, sondern
Plagiate. Allerdings mit Einverständnis des Käufers, denn
dieser weiß sehr genau, dass er weder die Qualität noch den Support
von Apple bekommt. Wenn hier also jemand betrogen wird,
dann der Hersteller des Originals.
Ähnlich gelagerte Beispiele finden sich zahlreich bei Power­Modulen,
insbesondere bei den zum Industriestandard gewordenen
40 elektronikJOURNAL 02/2011
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Bild: BoL - Fotolia.com

Schaltreglern der 78er-Klasse. Ursprünglich vom Dreieicher Hersteller
entwickelt und pin-kompatibel zu den weit verbreiteten
Längsreglern konzipiert, sind inzwischen viele ähnliche Produkte
mit unterschiedlichen Logos auf dem Markt. Auch diese Produkte
bewegen sich irgendwo in der Grauzone zwischen Me-too-Produkt
und Plagiat. Der Nachweis der Produktpiraterie lässt sich in der
Regel schwer erbringen: Wenn sich im Gehäuse tatsächlich eine
eigene Entwicklung unter Verwendung anderer Komponenten be-
� ndet, so handelt es sich eher um so genanntes kreatives Re-Engineering.
„Erfolgreiche Produkte � nden eben Nachahmer und der
Markt de� niert sowieso aus Gründen der Austauschbarkeit Größe
und Anschlussdaten“, erläutert Reinhard Zimmermann und ist
sich sicher: „Solange sich Logo und Typenbezeichnung unterscheiden,
ist das zu akzeptieren, denn der Kunde weiß, woran er ist.“
Wenn aus der Kopie eine Fälschung wird
Problematisch wird es, wenn gefälschte Bauteile angeboten werden
– und zwar mit Markennamen und Typenbezeichnung des Originals.
Hier wird nicht nur der Originalhersteller betrogen, sondern
auch der ahnungslose Anwender. Ein Beispiel anhand vergossener
DC/DC-Wandler, wie sie auf Controller-Platinen vieler Maschinen
verbaut werden, mit 24 Volt DC am Eingang und 3,3 Volt am Ausgang
zur Versorgung des Prozessors. Während der Entwicklung
hatten die Ingenieure eines Maschinenbauers ausschließlich hochwertige
Komponenten ausgewählt und diese intensiv getestet. Die
Maschine kam vor etwa anderthalb Jahren auf den Markt und erfreute
sich schnell erheblicher Nachfrage.
Mit dem Ende der Krise hatte der Hersteller mit Lieferengpässen
zu kämpfen – auch bei Komponenten, wie DC/DC-Wandlern.
Dann ein Lichtblick: Aus Asien kam ein Angebot für ein scheinbar
identisches Produkt derselben Marke – praktisch ab Lager lieferbar
und zu einem günstigeren Preis. Wer würde diese Chance auslassen?
Als knapp 500 Wandler verbaut und mehrere Maschinen in
Betrieb genommen waren, traten erste Reklamationen auf. Mehrfach
mussten Servicetechniker vor Ort Controller-Boards austauschen,
die o� enbar ihren Dienst quittiert hatten. Später wurde klar:
die Fehlerursache war in nahezu allen Fällen einer der Wandler auf
dem Board, was zum Ausfall der kompletten Steuereinheit führte.
Neben horrenden Kosten für Support und Service in USA, China
und Europa sowie Regressansprüchen der Endkunden für Produktionsausfälle
war das bei dem neuen Produkt mit schmerzlichen
Imageschäden verbunden.
Der Teufel liegt im Detail
Auch im Hause Recom herrschte Alarmstimmung. Hatte sich
plötzlich bei einem Wandler, der schon seit Jahren problemlos
läu� , trotz regelmäßiger Kontrollen ein Produktionsfehler einge-
Wenn das vermeintliche
Original eine Fälschung
ist, kann das irreparable
Schäden im Endprodukt
nach sich ziehen.
Reinhard Zimmermann , Produkt Marketing
Manager, Recom Electronic , Dreieich.
schlichen? Noch bevor die ersten defekten Wandler zurückkamen,
hat der Hersteller im eigenen Umweltlabor in Gmunden mit Halt-
Tests an Exemplaren der laufenden Produktion begonnen, allerdings
ohne dass sich in den nächsten Tagen Au� älligkeiten zeigten.
Dann trafen die defekten Teile ein. Diese trugen zwar ein Recom-
Logo und auch die Typenbezeichnung stimmte – aber irgendwie
sahen sie etwas anders aus. Das Logo war vertikal gestreckt und
aufgedruckt – nicht aufgelasert wie beim Original.
Ein Blick durchs Elektronenmikroskop zeigte weitere, markante
Unterschiede. Statt eines soliden, gut geschirmten E-Kern-Trafos
war ein billiger, nicht abgeschirmter Ringkern verwendet worden.
Die Isolation war dabei so schlecht ausgeführt, dass sie nicht annähernd
dem geforderten Wert entsprach. So führte ein billiges Bauteil
letztlich zum Ausfall teurer Maschinen und verursachte Servicekosten
in einem deutlich fünfstelligen Bereich. Vom Imageschaden
des Herstellers ganz zu schweigen.
China – der Copy-Shop der Welt?
„Man kommt kaum umhin, China eine gewisse Kopier-Kultur zu
unterstellen“, bringt Reinhard Zimmermann eines der weitverbreitesten
Vorurteile auf den Punkt. Böse Zungen behaupten sogar, das
C stünde für Copy und zu Recht an erster Stelle. „Klar, wer in einer
einzigen Generation das au� olen möchte, was viele Generationen
lang verschlafen wurde, wird dem Kopieren eine höhere Priorität
einräumen als der Innovation“, nennt Reinhard Zimmermann eine
mögliche Erklärung. Außerdem sollte nicht außer Acht gelassen
werden, dass in China erste Fortschritte insbesondere beim Kampf
gegen die Markenpiraterie erzielt wurden. „Aber bei allem Verständnis
– ein großes Ärgernis ist der staatlich tolerierte, wenn
nicht sogar geförderte Betrug mit dem CE-Zeichen“, betont Recoms
Produkt Marketing Manager.
Auf diversen Elektrogeräten � ndet sich ein CE-Zeichen, das
kaum vom Original zu unterscheiden ist, allerdings absolut nichts
mit Sicherheit oder gar einer Zulassung für Europa zu tun hat. Es
steht für China-Export – und ist aus Sicht vieler Unternehmen damit
völlig über� üssig, denn Made in China wäre als Hinweis auf
das Ursprungsland völlig ausreichend. Typogra� e und Anordnung
der beiden Lettern sind so nah am Original, dass einem schon der
Gedanke einer gezielten Fälschung kommen kann. Momentan
Auf einen Blick
Stromversorgungen und
Powermanagement
Wird der Anwender durch
gefälschte Logos getäuscht,
dann kann aus einem vermeintlichen
Gewinner schnell
ein Verlierer werden:
Wenn Produktpiraterie richtig teuer wird
Auch Hersteller elektronischer Komponenten können es nicht vermeiden:
ihre Erzeugnisse werden wie jedes erfolgreiche Produkt kopiert.
Das hat oft böse Folgen. Wenn ein billiges Bauteil schnell beschädigt
wird, fallen Maschinen aus – wofür der Hersteller haftet. Neben horrenden
Kosten wird auch schnell das Image immens geschädigt. Was
aber tun? Als Hersteller sowie als Kunde kann man eigentlich nur wenig
dagegen ausrichten: Wachsamkeit, gesundes Misstrauen und so
viele Informationen wie möglich zu sammeln, sind hilfreich.
infoDIREKT www.all-electronics.de 100ejl0211
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02 / 2011
41

Bilder: National Semiconductor
Stromversorgungen und
Powermanagement
sind zwei Versionen im Umlauf, bei denen
entweder der Strich im E länger oder der
Abstand zwischen beiden Lettern geringer
ist. Ein Schalk, wer sich böses dabei denkt?
„Sicher nicht“, betont Reinhard Zimmermann,
„soweit bekannt, hat die chinesische
Verwaltung bislang nichts gegen diese Art
von Fälschung unternommen.“ Zumindest
schränkt sie damit den Zugang chinesischer
Technik zum europäischen Markt,
die hierfür nicht zugelassen ist, nicht ein.
Attention, please
„Als innovativer Hersteller muss man damit
leben, kopiert zu werden“, fasst Reinhard
Zimmermann zusammen, betont
aber: „Aus Informationen unserer Distributoren
wissen wir, wann welcher Wettbewerber
ein neues Recom-Produkt bestellt.
Kommt eine Kopie auf den Markt, sind wir
vorbereitet und meist schon wieder einen
Schritt voraus.“ Er räumt ein: „Gegen Fälschungen
aber ist man als Hersteller machtlos.
Hier muss der Kunde wachsam sein –
im eigenen Interesse.“ (eck) ■
Der Beitrag basiert auf Materialvorlagen von
Reinhard Zimmermann, Recom Electronic in
Dreieich bei Frankfurt am Main.
Einfach und effektiv
Power-Module mit optimiertem EMV-Schutz
National Semiconductor hat seine Power-
Modul-Familie Simple Switcher um 12
Modelle erweitert. Die Bausteine sind für
einen Ausgangsstrom von bis zu 10 A ausgelegt
und erfüllen die Norm CISPR 22
(Class B) für abgestrahlte und leitungsgebundene
elektromagnetische Interferenzen
in Industrie- und Kommunikationsinfrastruktur-Applikationen.
Vorteile, die Oszilloskophersteller Lecroy
schätzt: „Die niedrige elektromagnetische
Abstrahlung des LMZ23605 von
National Semiconductor beseitigte das
Überzeugen durch eine niedrige elektromagnetische
Abstrahlung: die Familie Simple Switcher.
Schaltstörungsproblem, mit dem wir bei
einem konkurrierenden Produkt zu kämpfen
hatten“, betont Peter Algert , Hardware
Engineering Manager bei Le croy. „Der
LMZ23605 scha� e nicht nur das Störproblem
aus der Welt, sondern erwies sich dank
durchgängiger Metallrückseite als wesentlich
einfacher zu löten und zu kühlen.“
Die Power-Module können die Lastströme
durch Parallelschaltung gleichmäßig
untereinander verteilen und sind synchronisierbar.
Zur Bereitstellung von Zwischenkreisspannungen
mit hohem Strombedarf
und für FPGA-Applikationen lassen sich
somit Ausgangsströme von bis zu 60 A realisieren.
Pluspunkt: Durch die Synchronisation
mehrerer Module mit derselben
Taktfrequenz ist es möglich, in sensi blen
Systemen die Schaltstörungen auf ein Minimum
zu begrenzen. Die Bausteine sind
1:1 pinkompatibel zu anderen Mitgliedern
der Familie von 6 bis 10 A. Mit ihrer integrierten,
abgeschirmten Induktivität lassen
sich die 10-A-Module ohne aktive Lü� erkühlung
bei Umgebungstemperaturen bis
Links: In Form
und Funktion
dem Original
R78 angepasst.
Rechts: Der
R78 hat
inzwischen
eine Vielzahl
von Nachahmern
gefunden.
Oben: Blick ins Innere: Links der gut isolierte
E-Kern des Recom-Wandlers, rechts die Fälschung
mit unzureichend isolierter Primär- und Sekundärwicklung.
Links: Das CE-Zeichen. Beim Original ist der
Abstand zwischen beiden Lettern größer, der
Mittelstrich des E ist verkürzt.
zu +70 °C einsetzen.
„Die 12 Power-
Module von National
Semiconductor
kombinieren die
E� zienz eines synchronenSchaltreg-
Alex Chin , Business Unit
Director Power Products
Division bei Nat. Semi.
lers mit der Einfachheit eines Linearreglers“,
fasst Alex Chin, Business Unit Director
Power Products bei National Semi in
Santa Clara, Kalifornien, kurz zusammen
und betont: „Sie kommen ohne externe Induktivität
aus und sind hinsichtlich des
Layouts und der Platzierung der Bauelemente
nicht so komplex wie es für Schaltregler-Designs
typisch ist. Alle Module
sind mit präzisen wählbaren Schaltpunkt-,
Enable- und So� start-Funktionen ausgestattet.“
Ein Versprechen gab Chin auf den
Weg: „Bei der nächsten Generation werden
wir noch besser sein. Wir schauen immer
nach neuen Architekturen oder Technologien,
wie GaN.“ (eck) ■
infoDIREKT 118ejl0211
42 elektronikJOURNAL 02 / 2011
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Bilder: Recom Elektronik

Bilder: Linear Technology
Doppelt hält besser
Zweikanal-Synchron-DC/DC-Abwärtsreglercontroller
verbessert Stromgleichlauf
Linear Technology hat mit dem LTC3869/
-2 einen zweikanaligen Synchron-DC/DC-
Abwärtsreglercontroller mit einem hohem
Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent auf
den Markt gebracht. Besonderheit: der
nach Herstelleraussagen hervorragende
Stromgleichlauf von ±4 Prozent im Parallelbetrieb.
Dieser lässt sich durch den guten
Gleichlauf der Sense-Spannungen beider
Kanäle realisieren; die Abweichung beträgt
maximal 2 mV.
Punktet mit hohem Wirkungsgrad und kleinen
Schaltverlusten: der Zweikanal-Synchron-DC/
DC-Abwärtsreglercontroller LTC3869/-2.
Langlebig!
Die HWS-Serie
Innovating Reliable Power
Aufgrund des Eingangsspannungsbereichs
von 4 bis 38 V eignet sich der Controller
für diverse Anwendungen und Betriebsspannungsquellen,
von Intermediate-
Bussen bis zu Batterien unterschiedlichen
Typs. Die integrierten 1,1-Ohm-Gate-Treiber
minimieren die Schaltverluste und erlauben
bei entsprechenden externen Mosfets
Ausgangsströme bis zu 25 A pro Kanal
bei Ausgangsspannungen von 0,6 bis 12,5
V. Der Controller arbeitet jitterfrei – auch
dann, wenn die Schaltflanken sich zwischen
den Phasen überschneiden. Applikationsbereiche:
Stromversorgungen für
ASICs und FPGAs, Energieverteiler, Netzwerkserver
und Automobilelektronik.
Der LTC3869/-2 verfügt über eine Current-Mode-Architektur
und eine kurze
Mindest-On-Zeit von 90 ns, geeignet für
Hochfrequenz-Anwendungen mit großem
Abwärtsverhältnis. Tracking- und Sequencing-Funktionen
sorgen für ein besseres
Hoch- und Herunterfahren
mehrerer
Betriebsspannungsschienen.
Der Chip
ist mit allen n-Kanal-Mosfetskom-
Stromversorgungen und
Powermanagement
Tony Armstrong, Di-
rector Product Marke-
ting Power Products.
patibel und für einen Sperrschichtbetriebstemperaturbereich
von -40 bis +125 °C ausgelegt
bei einer Ausgangsspannungsgenauigkeit
von ±1 Prozent.
Der Controller unterstützt zwei Arten
der Ausgangsstrommessung: Messung des
Spannungsabfalls über dem ohmschen Widerstand
der Ausgangsinduktivität (DCR-
Messverfahren) oder die Verwendung eines
Strommesswiderstands. Die Schaltfrequenz
lässt sich auf einen festen Wert
zwischen 250 und 780 kHz programmieren
oder über die interne PLL mit einem externen
Taktsignal synchronisieren. (eck) n
infoDIREKT 117ejl0211
Einbaustromversorgung mit
„LIFETIME WARRANTY“ *
300 % Peak Power für 5 Sekunden
(Serie HWS-P)
15 – 1500 W Ausgangsleistung
Sonderausführungen für
Medizintechnik und harte Umweltbedingungen
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Bilder: Recom Electronic
Stromversorgungen und
Powermanagement
Auf der grünen Welle
DC/DC-Wandler Ecoline bis 15 Watt designen
Recom Electronic in Dreieich bei Frankfurt
am Main hat die DC/DC-Wandler-
Familie Ecoline in den Leistungsklassen 8,
10 und 15 Watt auf den Markt gebracht.
Diese zeichnen sich nach Herstelleraussagen
durch ein günstiges Preis-Leistungsverhältnis
aus. Die Bausteine sind gemäß
EN/UL60950-1 zertifiziert und damit weltweit
einsetzbar.
Die beiden kleineren Modelle REC8 und
REC10 verfügen über ein DIP24-Gehäuse
und sind wahlweise mit 2:1- oder 4:1-Weitbereichseingang
ausgestattet, geregelt, so-
Stromversorgung
Platzsparend und mit weitem Eingangsbereich
Die primär getakteten Module der
Serie PMAS/PCMAS15 von MTM
Power sind als universell einsetzbare
Kompaktstromversorgungen
mit AC/DC-Weitbereichseingang
(90...264 V AC, 100…353 V DC)
für den weltweiten Einsatz konzipiert.
Sie sind mit einer Dauerausgangsleistung
von 15 W und den
Single-Ausgangsspannungen von
5, 12, 15, 24 und 48 V DC erhältlich.
Die Serie PMAS/PCMAS15 ist
kurzschluss- und leerlauffest und
verfügt über eine reduzierte
Stand-by-Leistung. Durch ihre
geringen Abmessungen ermögli-
wie mit Single- oder Dual-Ausgängen lieferbar.
Die Eingangs-/Ausgangsisolation
beträgt serienmäßig 2 Kilovolt DC und
lässt sich optional auf 3 Kilovolt erhöhen.
Aufgrund des thermischen Designs kann
der Anwender den 8-Watt-Wandler REC8
bei Umgebungstemperaturen zwischen
minus 40 und plus 85 Grad Celsius einsetzen
– und zwar bei freier Konvektion, ohne
das sonst übliche Derating im oberen Temperaturbereich.
Der Wirkungsgrad beträgt
bis zu 87 Prozent im gesamten Eingangsspannungsbereich.
Vorteil: Er bleibt auch
bei unterschiedlichen Lastzuständen
recht konstant, so
dass bei 30 Prozent Volllast
immer noch Werte über 80
Prozent die Regel sind. Der
leistungsstärkere REC10 ist
bei gleichen Voraussetzungen
für plus 75 Grad Celsius ausgelegt.
Der REC15 als leistungsstärkstes
Modell der Produktfamilie
ist in einem Zweimal-Ein-Zoll-Gehäuseuntergebracht.
Seine Leistungs-
chen sie dem Anwender effiziente
und kostensparende Lösungen
unterschiedlichster Stromversorgungsaufgaben
im mittleren Leistungsbereich.
Die Module zeichnen
sich durch eine kompakte
Bauform aufgrund mechanisch
und elektrisch robuster Konstruktion
aus und sind zur Leiterplatten-
(PMAS) und Chassismontage
(PCMAS) vorgesehen. Ihre Außenabmessungen
betragen je nach
Ausführung für das PMAS 50,8 x
50,8 x 20,0 mm und 84,0 x 51,0 x
22,0 mm für das PCMAS. Die zur
Fertigung verwandte SMD-Tech-
Punkten mit einem guten
Preis-Leistungsverhältnis: die
effizienten DC/DC-Wandler der
Produktfamilie Ecoline in der
Leistungsklasse bis 15 Watt.
nologie, ein 100-%-Burn-In-Test
sowie eine automatische Einzelstückprüfung
bilden die Grundlage
für den sehr hohen qualitativen
Standard der gesamten Serie. Die
Geräte sind vakuumvergossen,
für den Einsatz in Schutzklasse 1
und/oder 2 vorbereitet und erfüllen
die Nieder spannungs richt li-
merkmale sind
weitgehend identisch
mit denen der
kleineren Versionen,
die maximale
Umgebungstemperatur
liegt bei plus
71 Grad Celsius.
Steve Roberts, Technical
Manager bei Recom in
Gmunden, Österreich.
Der Wandler verfügt über Synchrongleichrichtung,
sowie zur Kompensation von
Spannungsverlusten auf der Anwenderseite,
über geringfügig auf 3,4 sowie 5,1 Volt
erhöhte Ausgangsspannungen.
Die Produktfamilie überzeugt mit einer
hohen Stabilität der Ausgangsspannung,
geringen Restwelligkeit und niedrigem
Ausgangsrauschen. Sie verfügt über einen
Remote-Enable-Pin, der besonders bei
schnell aufeinanderfolgenden Ein- und
Abschaltvorgängen vorteilhaft ist.
Die gesamte Baureihe ist am Ausgang
gegen Überlast und Dauerkurzschluss geschützt
und wurde durch kompromissloses
Design und die Auswahl qualitativ hochwertiger
Materialien auf maximale Lebensdauer
getrimmt, so der Dreieicher Hersteller.
Die MTBF nach MIL-HDBK 217F bei
25 Grad Celsius liegt zwischen 700.000
Stunden (REC15) und 1,2 Millionen Stunden
(REC08). Die Gewährleistungsfrist beträgt
einheitlich 3 Jahre. (eck) n
infoDIREKT
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nien sowie die aktuellen EN-Normen
zur CE-Konformität. Sie haben
CB-Scheme und sind nach
VDE sowie UL/cUL zertifiziert. Darüber
hinaus sind sie nach EN 60
601-1 für medizintechnische Anwendungen
zugelassen.
infoDIREKT 244ejl0211
44 elektronikJOURNAL 02/2011
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Stromversorgungen und
Powermanagement
Digitales Zeitalter
Leistungsdichte und -fähigkeit mit
digitalem PoL-Wandler erhöhen
Digitale Leistungs umwandlung sorgt für bessere Energieeffi
zienz und erfreut sich so mittlerweile breiter Akzeptanz.
Vor drei Jahren stellte Ericsson Power Modules in
diesem Umfeld Achtel- und Viertel-Brick- sowie Point-of-
Load-Wandler (PoLs) vor. Nun steht mit dem digital
geregelten PoL-Wandler BMR463 die zweite Generation
zur Verfügung: Welche Verbesserungen diese bringt, zeigt
der nachfolgende Beitrag.
Noch vor wenigen Jahren eine absolute Neuheit, die sich
erst beweisen musste, hat sich die digitale Leistungswandlung
nicht nur in einem breiten Umfeld etabliert,
sondern erfreut sich stetig wachsender Beliebtheit. Als
einer der ersten Anbieter digital geregelter Leistungswandler stellte
Ericsson im Jahr 2008 seinen Viertel-Brick-Intermediate-Bus-
Wandler BMR453 vor“, blickt Patrick Le Fèvre, Marketing und
Communications Director, bei Ericsson Power Modules in Stockholm,
Schweden, zurück. Diesem folgte ein Achtel-Brick-Modell
sowie einige PoL-Regler. Jedes dieser Geräte aus der 3E-Familie
Ein hoher Wirkungsgrad und die
hohe Integration der digitalen
Steuerung ermöglichen eine
wesentlich verbesserte Leistungsdichte:
Patrick Le Fèvre , Marketing and Communications
Director, Ericsson Power Modules in Stockholm,
Schweden.
Überzeugt mit einer hohen Leistungsdichte:
der digitale PoL-Wandler BMR463.
bot elektrische Spezi� kationen und Leistungsmerkmale, die nach
Herstelleraussagen noch heute zu den besten ihrer Klasse zählen.
Aber auch hier steht der Fortschritt nicht still. Mit dem BMR463
stellen die Schweden nun das erste Mitglied der zweiten Generation
digital geregelter PoLs zur Verfügung.
Für Entwickler sind Kennzahlen, wie Wirkungsgrad, Leistungsdichte
und elektrische Leistungsfähigkeit wichtig. Diese Größen
müssen mit anderen Faktoren, beispielsweise Funktionsvielfalt
und Kosten, abgestimmt werden. Weil zum Beispiel passive Bauteile
die Schleifendynamik jedes herkömmlichen Analogwandlers
mitbestimmen, setzen Entwickler den optimalen Betriebspunkt
bei 50 bis 70 Prozent des Wandler-Ausgangspotenzials, weil das
der Bereich ist, in dem Anwender solche Produkte früher betrieben
haben.
Digitale Steuerung integrieren
Durch die Integration einer digitalen Steuerung, die sich an die
Netz- und Lastbedingungen in Echtzeit anpasst, erweiterte bereits
der BMR450 den Wandlerwirkungsgrad und das sogar bei nied-
46 elektronikJOURNAL 02 / 2011
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Auf einen Blick
Großes Bild: Phototom - Fotolia
A new generation is born
Digitale Wandler tragen zu mehr Energieeinsparungen bei, sie
punkten mit einem hohen Wirkungsgrad, einer hohen Integration
und damit letztendlich mit einer hohen Leistungsdichte sowie Leistungsfähigkeit.
Drei Jahre nach der ersten Generation seiner digital
geregelten PoLs stellt Ericsson Power Moduls nun mit dem
BMR463 das erste Nachfolgemodell vor. Vorteil: eine komplette
Systemoptimierung und damit ein niedriger Energieverbrauch.
rigen Lasten, wo die Verluste sonst ziemlich
hoch waren. Das digitale Bauteil nutzt eine
Totzeit-Steuerung für die Schalter seines
synchronen Buck-Wandlers. Das minimiert
die Zeitspanne, in der die Mosfets abgeschaltet
sind – wenn Strom durch die verlustbeha�
eten Body-Dioden � ießt. So erhöht
sich der Wirkungsgrad in betriebsbedingten
Extremsituationen, und die Wirkungsgradkurve
� acht ab.
Ericssons neu entwickelter BMR463 ist
programmierbar, womit sich der Wirkungsgrad
im unteren Lastbereich optimieren
lässt. Dabei wird die e� ektive Schaltfrequenz
minimiert und ein hoher negativer
Strom� uss durch den Low-Mosfet-Schalter
verhindert. Weitere Vorteile: Verbesserungen
des zugrunde liegenden Sili ziums sowie
proprietäre Firmware-Entwicklungen.
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Der Wandler wurde für eine Eingangsspannung
von 4,5 bis 14 Volt DC und eine Ausgangsspannung
von 0,6 bis 3,3 Volt DC
spezi� ziert.
Die Leistungsdichte steigern
„Ein höherer Wirkungsgrad und die höhere
Integration der digitalen Steuerung ermöglichen
eine wesentliche Verbesserung
der Leistungsdichte“, betont Patrick Le Fèvre.
Abgesehen von der Verdreifachung der
Leistungsdichte enthält der BMR450 ein
Über wachungs-Mess- und Regelsystem,
auf das der Anwender über die PMBus-
Schnittstelle zugreifen kann.
Vorteil: Im Vergleich zur Analog-Architektur
sinkt damit die Komplexität und Fläche
der Leiterplatte. Board-Power-Management-Logik
kann dann auf jeden Wandler
�
� �
� � �

Stromversorgungen und
Powermanagement
der 3E-Reihe zugreifen und Parameter, wie Ausgangsspannung,
Strom und Wandlertemperatur, auslesen sowie den Wandler im
laufenden System programmieren.
Des Weiteren verfügt der BMR463 über einen so genannten
Snapshot-Modus, der wichtige Betriebsparameter erfasst und diese
während des Normalbetriebs in einem nichtflüchtigen Speicher
ablegt. Unter Fehlerbedingungen lässt sich diese Funktion automatisch
durchführen. „Die Entwicklung anspruchsvoller PMBus-
Systeme wird damit einfacher als je zuvor“, erklärt Patrick Le Fèvre.
„Die Vorteile sind weitreichend: von der dynamischen Systemoptimierung,
mit der sich der Energieverbrauch senken lässt,
bis hin zur Datenerfassung, die eine Ursachenanalyse und eine
voraus schauende Fehleranalyse durchführen kann“, freut sich der
Marketing Direktor.
Der BMR463 erweitert
den Betriebsbereich
auf 4,5 bis 14 Volt DC
Eingangsspannung
und 0,6 bis 3,3 Volt DC
Ausgangsspannung.
Der digitale Core
ermöglicht erhebliche
Verbesserungen
hinsichtlich
Leistungsdichte und
Funktionalität.
Einschwingverhalten ergänzt die elektrische
Leistungs fähigkeit
Die elektrische Leistungsfähigkeit des digitalen Bausteins ist generell
besser als die eines analogen Wandlers mit vergleichbaren
Leistungswerten. Die Netz- und Lastregelung bleibt bei jeder Einstellung
innerhalb des Dreimillivolt-Bereichs, während die Genauigkeit
der Ausgangsspannung einschließlich Temperaturauswirkungen
im Betriebsbereich von -30 bis +85 °C bei ±1 Prozent
liegt. Die Ausgangswelligkeit und das Rauschen schwanken von
20 mV Spitze bei 0,6 V Ausgangsspannung bis 60 mV bei 3,3 V
und lassen sich in bestimmten Anwendungen optimieren, indem
die standardmäßige Schaltfrequenz des Wandlers (320 kHz) zwischen
200 und 640 kHz variiert wird.
Bei einem schnellen Anstieg des Ausgangsstroms umgeht der
nichtlineare Regelkreis des digitalen Cores die Hauptregelschleife.
Folglich erhöht sich das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt des
Wandlers, was das Einschwingverhalten jenseits der Möglichkeiten
der linearen Schleife beschleunigt.
Analogwandler ersetzen
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen analogen PoL lassen sich
die dynamischen Eigenschaften des digitalen Regelkreises feinjustieren,
um das Einschwingverhalten an spezielle Netz-, Last- und
Ausgangskapazitätsbedingungen anzupassen. Wie alle Module der
3E-Reihe, lässt sich der nichtflüchtige Speicher, in dem die Setup-
Parameter des BMR463 abgelegt sind, während der Fertigung oder
später programmieren, zum Beispiel während des ATE-Funktionstests
eines Host-Boards. Damit werden die Parameter, beispielsweise
die Ausgangsspannung, über die PMBus-Schnittstelle festgelegt.
Die Set-and-Forget-Funktion des Moduls unterstützt die Implementierung
einer Ablaufsteuerung, die bei Logik-Modulen für
mehrere Stromschienen nötig ist. Zudem wird eine Begrenzung
der Anstiegsgeschwindigkeit unterstützt, die erforderlich ist, um
Stromspitzen beim Einschalten zu minimieren. Weiterer Pluspunkt:
Der BMR463 kann eigenständig arbeiten, um Analogwandler
zu ersetzen. Dazu enthält der Datenkommunikations-Header
Anschlüsse, die eine Spannungserfassung aus der Ferne unterstützen.
Das erfolgt zusammen mit einem Pinstrap, über den sich
durch eine Widerstands die Ausgangsspannung des Wandlers in
28 Schritten von 0,6 bis 3,3 Volt DC einstellen lässt.
Die 25,65 mal 13,8 mal 8,2 mm� große Komponente verfügt über
zwei zusätzliche Anschlüsse. Ein Group-Communications-Bus-
Anschluss (GCB) ermöglicht es mehreren BMR463-Wandlern, untereinander
autonom zu kommunizieren. Dadurch lässt sich eine
Fehlerstreuung entsprechend konfigurierter Wandler realisieren.
Vorteil: Bei einer vorübergehenden Störung in einem der Baustei-
48 elektronikJOURNAL 02/2011
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Bilder: Ericsson Power Modules

ne werden so ein vorbestimmtes Herunterfahren
und ein Neustart initiiert, was empfindliche
Chips mit mehreren Stromschienen schützt. Der
BMR463 hat eine Ablaufsteuerung von Spannungsschienen
in einer Multi-Rail-Umgebung
beim routinemäßigen Ein- und Ausschalten. Ein
analoger Spannungsverfolgungseingang vereinfacht
Multi-Rail-Anwendungen ebenfalls und
ergänzt die normale Spannungs-Ablaufsteuerung,
so dass das Modul eine externe Referenzspannung
verfolgen kann und seinen Ausgang
mit der gleichen Anstiegsrate oder einem Teil
dieser Anstiegsrate hochfahren kann.
Den Takt synchronisieren
Die Taktsynchronisierung des Wandlers fügt die
Funktion hinzu, den Phasenwinkel zwischen
Modulen zu verschieben, die mit bis zu 16 Schritten
schalten. Damit minimiert sich die momentane
Belastung der Eingangsspannung, weil die
Stromspitzen über eine ganze Schaltperiode verteilt
werden. Der Baustein enthält nun ein eigenes
Power-Good-Signal, das anzeigt, dass der
Ausgang innerhalb -10 und +15 Prozent seines
Zielwertes liegt. Diese Standard-Grenzwerte sind
einstellbar.
Der BMR463 verfügt über einen Stromteiler-
Modus, mit dem sich bis zu acht Modulausgänge
parallel schalten lassen, ohne dabei O-Ring-Dioden
oder Mosfets einsetzen zu müssen. Damit
lässt sich ein Ausgangsstrom von bis zu 160 A erzielen.
Davon profitieren Systeme, die Schaltkreisblöcke
dynamisch abschalten, um den statischen
Stromverbrauch zu senken, beispielsweise
als Reaktion auf Netzwerkverkehrsprofile in
Kommunikationssystemen.
In einer Konfiguration als Stromteiler-Gruppe
fungiert der Wandler in der niedrigsten Position
automatisch als Referenz und kommuniziert die
Höhe seines Spulenstroms kontinuierlich über
den GCB. Andere Module der Gruppe greifen auf
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diese Information zu und passen ihre Ausgangsspannungen
entsprechend an, um einen gleichmäßigen
Stromfluss von jedem Modul zu erhalten.
Ein künstlicher Droop-Widerstand im Ausgangsspannungspfad
eines jeden Moduls kompensiert
automatisch Ungleichheiten, wie
unterschiedliche Leiterplatten-Widerstandpfade.
Gruppenmitglieder können Schaltphasenunterschiede
untereinander automatisch einrichten.
Damit minimiert sich die Belastung der Eingangsschiene
und die Ausgangswelligkeit teilt
sich durch die Anzahl an Modulen innerhalb der
Gruppe. Eine Stromteiler-Gruppe kann Phasen je
nach Lastbedingung dynamisch hinzufügen oder
abschalten. Das spart Wandlungs-Schaltenergie
bei niedrigen Lasten ein, wenn weniger BMR463-
Module den Ausgangsstrombedarf abdecken
müssen. „Eine Gruppe kann Redundanz bieten,
fehlerhafte Phasen verwerfen und Ersatz hinzuschalten
– vorausgesetzt, die Gruppe kann sich
selbst konfigurieren, um einen Normalbetrieb
aufrecht zu erhalten und den erforderlichen Laststrom
zu liefern“, weiß Patrick Le Fèvre.
Zukünftige Designs mit einbeziehen
Ericssons Entwickler haben für den BMR463
eine Stellfläche erarbeitet, die bereits künftige
BMR46x-Wandler mit einbezieht. Diese werden
Ausgangsströme von 12, 20 oder 40 A liefern.
Leiterplatten-Entwickler können eine einheitliche
Stellfläche verwenden, um Änderungen des
Leistungsbedarfs bei System-Upgrades zu berücksichtigen.
Jeder BMR46x ist als Durchkontaktierungs-
oder SMD-Version erhältlich. Das Modul-Design
vereinfacht die automatisierte Montage in Leiterplatten-Fertigungsprozessen.
(eck) n
Der Beitrag basiert auf Materialvorlagen von
Patrick Le Fèvre von Ericsson Power Modules in
Stockholm, Schweden.
Top view Top view
Bottom view cm
Bottom view
Die erste
Generation des
digitalen BMR450
(rechts) bietet
20 A Strom bei
kompakter Größe.
Die Leistungsdichteverbesserte
sich im
Vergleich zum
Analogwandler
(links) von 7,4 auf
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Stromversorgungen und
Powermanagement
Übung macht den Meister
Intermediate-Bus-Spannung in dezentralen Stromversorgungs-
Architekturen erhöhen
Für weniger Verteilungsverluste in Datenkommunikationsarchitekturen wurde die Intermediate-Bus-Spannung,
kurz IBS, erhöht. Vorteil: ein besserer Wirkungsgrad des -48-Volt-DC/DC-Wandlers. Herausforderung: der Wirkungsgrad
der nachfolgenden Point-of-Load-Wandler. Wie Texas Instruments dieses Problem meistert, verrät der
nachfolgende Beitrag. Autoren: Pietro Scalia und Matthias Ulmann
Um die erheblichen Verteilungsverluste in Telekommunikations-
und Datenkommunikationsarchitekturen zu verringern,
die aufgrund des auf dem Intermediate-Bus � ießenden
hohen Stroms au� reten, wurde die IBS kürzlich
von den üblichen 3,3 und 5 Volt auf bis zu 15 Volt erhöht. Auch
wenn durch eine höhere IBS deutliche Vorteile für den Wirkungsgrad
des isolierten -48-Volt-DC/DC-Wandlers entstehen, insbesondere
bei einer nicht geregelten Bus-Spannung, steigen dadurch
natürlich die Anforderungen an die nachfolgenden PoL-Wandler
erheblich. Der Wirkungsgrad der Bausteine nimmt ab einer gewissen
Bus-Spannung deutlich ab, da das Tastverhältnis sehr klein
wird. Aus diesem Grund muss der Entwickler sicherstellen, dass
der erreichte Gesamtwirkungsgrad der beiden Spannungswandler
Auf einen Blick
Die Stromversorgungsarchitektur optimieren
Die Erhöhung der Intermediate-Bus-Spannung auf bis zu 15 Volt
sorgt für erheblich weniger Verteilungsverluste in Telekommunikations-
und Datenkommunikationsarchitekturen. Das heißt, dass sich
der Wirkungsgrad des isolierten -48-Volt-DC/DC-Wandlers erheblich
verbessert. Des einen Freund ist jedoch des anderen Leid – nämlich
des Wirkungsgrads der nachfolgenden PoL-Wandler. Eine Herausforderung,
der sich TI erfolgreich stellte.
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50 elektronikJOURNAL 02 / 2011
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Bilder: Texas Instruments
tatsächlich höher als zuvor ist. Wie das geht? Texas Instruments hat
dazu eine Analyse, den Entwurf eines vollständigen Schaltplans
und die Zusammenstellung von Stücklisten zusammen mit Prototypen
der drei PoL-Wandler realisiert. Diese dienen zur Unterstützung
bestimmter Hardware-Entwicklungen, die die Folgen der
höheren Bus-Spannung bewältigen müssen.
PoL-Wandler spezifizieren
Ausgangspunkt der Analyse waren die ursprünglichen Spezifikationen
der Stromversorgung, die in einer Intermediate-Bus-Architektur
mit einem nicht geregelten Spannungsbereich zwischen 7
und 14 Volt bestehen. Diese führt letztendlich zu einer Vereinfachung
der Wandlung auf 24 Volt für die Antennenversorgung, wie
Bild 1 verdeutlicht. Hier ist die IBS einer herkömmlichen Architektur
zu sehen. In der Abbildung variieren die Werte für den Wirkungsgrad
des isolierten DC/DC-Bus-Wandlers in Abhängigkeit
der Bus-Spannung zwischen 92 und 95 Prozent. Die vom Intermediate-Bus
bereitgestellte Leistung beträgt 280 Watt, wovon den
PoL-Wandlern 100 Watt zur Verfügung stehen.
In dieser Anwendung kommen die folgenden Haupt-PoL-
Wandler zum Einsatz:
■ 0,7 bis 0,9 Volt (VID) bei 6 Ampere (Multicore-ASIC)
■ 6,3 Volt bei 4 Ampere (rauscharmer HF-Verstärker)
■Insbesondere 3,3 Volt bei 16 Ampere (I/O-Modul)
die erste Wandlung zeigt recht schnell die Herausforderung,
die entsteht, wenn bei der Versorgung durch eine Bus-
Spannung von maximal 14 Volt eine niedrige Ausgangsspannung
erzeugt werden soll. Der ASIC verwendet den Voltage-Identification-Code
von TI, um den Stromverbrauch zu senken. Das Tastverhältnis
beträgt unter diesen Bedingungen 5 Prozent, wobei die
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Bild 1: Blockschaltbild
einer Intermediate-
Bus-Architecture.
Bild 2: Schaltplan der
Stromversorgung für
den Multicore-ASIC
für 0,7 bis 0,9 Volt bei
6 Ampere.
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Stromversorgungen und
Powermanagement
Bild 3: Wirkungsgradmessung des Multicore-ASIC PoL-Wandlers bei einer
Ausgangsspannung von 0,8 Volt für den minimalen und maximalen
Intermediate-Bus-Spannungs-Wert.
interne Totzeit sowie die minimale Einschaltzeit der PWM möglicherweise
ein Problem darstellen können. Die zweite Herausforderung
– ebenfalls aufgrund der extremen Betriebsbedingungen: der
Wirkungsgrad, insbesondere für die Versorgung des Multicore-
ASICs sowie des I/O-Moduls.
Den optimalen PWM-Controller finden
Die PWM-Controller TPS4030x von Texas Instruments eignen
sich für diese kritischen Anwendungen, weil sie alle erforderlichen
Funktionen zur Bewältigung dieser Herausforderungen bereitstellen.
Das Bauteil ist für 20, maximal 27 Volt, am Vermittlungsknoten
ausgelegt und hat somit genügend Reserve für 14 Volt Eingangsspannung.
Der Baustein verfügt über Feedforward-Kompensation,
was in nicht geregelten Intermediate-Bus-Architekturen
(IBA) nützlich ist, um schnell auf wechselnde Eingangsspannungen
zu reagieren.
Der PWM-Controller weist Einschaltzeiten von bis zu 40 Nanosekunden
bei 600 Kilohertz auf. Die minimalen Tastverhältnisse
schwanken deshalb abhängig von der Schaltfrequenz: 2,7 bis 3,3
Prozent bei 300 Kilohertz, 5,4 bis 6,6 Prozent bei 600 Kilohertz und
10,2 bis 13,8 Prozent bei 1,2 Megahertz. Eine Stromquelle mit
maixmal 5 Prozent Toleranz am LDRV-Pin sorgt für eine sichere
und genaue Überstromerkennung. Dank eines Temperaturkoeffizienten
von 3000 Parts per Million über den kompletten Tempera-
turbereich des Controllers bleibt die Überstromerkennung nahezu
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Bild 4: Bode-Diagramm des I/O-Modules mit 3,3 Volt Ausgangsspannung bei
16,0 Ampere Last und 14,0 Volt Eingangsspannung. 2 Grad Phasenreserve,
100 Kilohertz Regelbandbreite.
temperaturunabhängig. Die Anwendung benötigt eine hohe
Schaltfrequenz, um Maße und Kosten zu reduzieren, allerdings
immer unter Berücksichtigung des benötigten minimalen Tastverhältnisses.
Folgende Lösungen hat TI speziell für diese Anwendung
beim Design der Referenzschaltung berücksichtigt:
■ Nach Möglichkeit kommen nur Keramikkondensatoren am
Ausgang zum Einsatz, insbesondere für 0,7 Volt, um einen
niedrigen Spannungsripple zu erzielen.
■ Maximal 3 Prozent Abweichung der Ausgangsspannung bei einem
Lastsprung von +/- 50 Prozent (von Volllast ausgehend)
lassen sich tolerieren.
■ Implementierung eines dynamisches Voltage-Identification-
Code-Interfaces (VID), um die Ausgangsspannung zwischen
0,7 und 0,9 Volt im Betrieb zu ändern. Dank der hohen Bandbreite
des Fehlerverstärkers (20 MHz) im TPS4030x und der
daraus resultierenden kleinen Ausgangskapazität, lassen sich
die hohen dynamischen Spezifikationen problemlos erfüllen.
Darüber hinaus verfügt der TPS4030x über leistungsstarke Ausgangstreiber,
die Schaltverluste reduzieren und den Wirkungsgrad
besonders bei hohen Ausgangsströmen verbessern.
Die passenden Nex-FETs auswählen
Anschließend hat der Hersteller die Verluste der drei Wandler berechnet,
die für zwei unterschiedliche Schaltfrequenzen entworfen
werden sollten. Diese Berechnungen dienen dazu, die Abweichun-
Wichtige Spezifikationen:
✔ 20, 30, 40 und 50 Watt
✔ -45°C (-55°C) bis +100°C
✔ Wirkungsgrad bis 92%
✔ 2:1 und 4:1 Eingang
✔ Isoliert bis 3kVDC
✔ Class B-Filter integriert
✔ 3 Jahre Gewährleistung

Bild 5: Wärmebild der Multicore-ASIC-PoL-Platine bei 14,0 Volt Eingangsspannung
und 0,7 Volt / 6,0 Ampere am Ausgang. Die Höchsttemperatur liegt
bei 44,1 Grad Celsius.
gen beim Wirkungsgrad der drei PoL-Konverter für verschiedene
Nex-FETs – Texas Instruments Mosfet-Technologie für niedrige
Kapazitäten, hohe Schaltfrequenz und hohe Leistungsdichte – an
unterschiedlichen Bus-Spannungen zu bewerten.
Der Wirkungsgrad der drei Wandler ließ sich mit einer Excel-
Tabelle für verschiedene Kombinationen von Nex-FETs und für
diverse IBS-Werte berechnen. Dabei mussten die Entwickler zwei
Schaltfrequenzen (TPS40303/TPS304: 300/600 Kilohertz), einschließlich
der Verluste in den passiven Komponenten berücksichtigen
(verwendete Induktivitäten: MSS1048-222NLC für 1 Volt bei
6 Ampere), IHLP5050FDEC1R05M01 für 3,3 Volt bei 16 Ampere,
MSS1260-682MLD für 6,3 Volt bei 4 Ampere).
Die Schlussfolgerungen daraus führten zu der Entscheidung,
unterschiedliche Schaltfrequenzen für die drei Wandler zu ver-
wenden:
0,7 bis 0,9 Volt (VID) bei 6 Ampere, fs = 300 Kilohertz
■ (TPS 40303), PMP4709 (Schaltplan in Bild 2)
6,3 Volt bei 4 Ampere, fs = 600 Kilohertz (TPS40306),
■ PMP4711
3,3 Volt bei 16 Ampere, fs = 600 Kilohertz (TPS40306),
■ PMP4713
Folgende Nex-FETs sollten zum Einsatz kommen: High-Side:
CSD 16409Q3 wegen der besten Gesamtleistung (etwa 60 Milliwatt
Verluste, nahezu unabhängig von der Eingangsspannung). Low-
Side: CSD16323Q3 wegen ähnlicher Leistung wie CSD16340Q3,
PowerlinePlus-Wandler
arbeiten bis nahe 100°C
mit voller Leistung.
Das als Kühlkörper
konzipierte Gehäuse
optimiert Wärmetransfer
und Wirkungsgrad.
RPP-Wandler sind auch
mit für Gehäusemontage
geeigneter Kühlplatte
lieferbar.
Stromversorgungen und
Powermanagement
jedoch besserer Preis (237 bis 287 Milliwatt Verluste, von 7 bis 14
Volt Eingangsspannung).
Hohe Flexibilität gewährleisten
Der PWM-Controller und die Mosfets ergeben gemeinsam eine
kompakte Größe von 27 Millimeter. Aus diesem Grund kamen
Nex-FETs für diese Applikation zum Einsatz, auf die die Kriterien
kleines Gehäuse und mittlere Performance zutrafen. Selbstverständlich
können sich die Kriterien von Anwendung zu Anwendung
ändern. Dabei sind in der Regel Aspekte, wie Leistungsdichte,
Wirkungsgrad, Wärmemanagement und Kosten zu beachten,
um den besten Kompromiss für die spezifischen Ziele des jeweiligen
Designs zu erzielen.
Um die größtmögliche Flexibilität auf den entworfenen Leiterplatten
zu erreichen, können diese Nex-FETs unterschiedlicher
Bauform aufnehmen. Hier passen sowohl Nex-FETs im SON-
5X6mm-Gehäuse (kompatibel zu Power-PAK SO-8) als auch im
SON3X3mm-Gehäuse. Somit können für jede spezifische Anwendung
unterschiedliche Nex-FETs unter Einhaltung des erforderlichen
Kompromisses zwischen Leistung und Kosten getestet werden.
Wie bereits erwähnt, dient diese Art von Platine als Designhilfe
für den ersten IC-Testlauf in einer spezifischen Applikation.
Dabei handelt es sich um den typischen Support in Hinsicht
auf Schaltplan, Leiterplattenlayout und Prototyp. Auf diese Weise
hat TI eine universelle Demo-Platine für den TPS4030x-PWM-
Controller entwickelt, die auch für andere Projekte geeignet ist, um
unterschiedliche Nex-FETs unter der Berücksichtigung von Leistung
und Kosten zu vergleichen.
Messungen an den PoL-Wandlern durchführen
Die Wirkungsgradmessung für einen der drei Wandler lassen sich
in Bild 3 ablesen. TI hat den Wandler hinsichtlich der minimalen
und maximalen IBS für den Multicore-ASIC mit 0,7 bis 0,9 Volt
(VID) bei 6 Ampere getestet. Das Bode-Diagramm der Regelschleife
ist in Bild 4 dargestellt. Diese zeigt die hohe Regelbandbreite
von ungefähr 100 Kilohertz, die sich aufgrund der dynamischen
Eigenschaften des TPS4030x erzielen ließ. In Bild 5 weist das
Wärmebild der Platine eine Höchsttemperatur von 44,1 Grad Celsius
auf, wobei die Temperaturen der Induktivität und der High-
Side- sowie Low-Side-FETs fast gleich sind. (eck) n
Die Autoren: Pietro Scalia, EMEA Design Services Engineer
und Matthias Ulmann, EMEA Power Marketing Manager für
den Bereich Telekommunikation, TI in Freising.
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Stromversorgungen und
Powermanagement
Durstlöscher
Energie durch optimiertes Power-Management sparen
Stetig steigender Energieverbrauch zieht sich wie ein roter Faden durch sämtliche Gesellschaftsstrukturen – und
das bei abnehmenden Ressourcen. Um Energie in elektronischen Geräten zu sparen, gilt es, das Power-Management
gezielt unter die Lupe zu nehmen und zu verbessern, wie IDT beweist.
Es ist unbestritten, dass unsere Gesellschaft mehr Energie als
je zuvor verbraucht“, bringt es Lonny Trahan, Director of
Technical Marketing, bei IDT im kalifornischen San Jose,
auf den Punkt. „Durch die Menge an elektronischen Geräten,
die heute verfügbar sind und unserem scheinbar unstillbaren
Hunger nach Energie sowie weiteren überlebensnotwendigen Geräten,
werden unsere natürlichen Energiequellen erschöpft.“ Weiterhin
müssen Handheld-Geräte in der Consumer-Elektronik über
immer mehr Funktionen verfügen, während sie gleichzeitig mit
längerer Batterielaufzeit arbeiten sollen. Deshalb steht die Integration
moderner Energiesparmethoden in aktuellen Geräteentwicklungen
auf der To-Do-Liste vieler Unternehmen. „Bei IDT ist das
Power-Management eine wichtige Komponente im Design all unserer
Bausteine“, betont Lonny Trahan. Die Power-Management-
Methode des Herstellers ist nach eigenen Aussagen ausgeklügelt,
weil sie sich auf die Endanwendungen fokussiert. Warum? „Anstatt
das Power-Management als einen Endmarkt zu betrachten,
sehen wir es als einen Wegbereiter für applikationsoptimierte Lösungen
auf Systemebene“, erklärt Trahan und ergänzt: „Unsere
Power-Management-Technik berührt alle unsere Endmärkte, wie
die Infrastruktur für drahtlose Kommunikation, Persönliches und
Unternehmens-Computing, Video und Displays und tragbare
Consumer-Elektronik.“ Die Kalifornier arbeiten eng mit den relevanten
Zielmärkten zusammen, um den Energiebedarf in Neuentwicklungen
zu senken und die Batterielebensdauer zu verlängern.
Die klassische Power-Management-Lösung betrachten
Um die Verlustleistung zu reduzieren, konzentrieren sich Unternehmen
in der Regel darauf, die elektrischen Parameter einzelner
Power-Management-Bausteine zu optimieren. Mit jedem Design
Wir nutzen unser Know-how
in digitalen Techniken und
im Analog-Bereich, um eine
erfolgreiche integrierte Power-Management-Methode
zu entwickeln:
Lonny Trahan, Director of Technical Marketing bei
IDT San Jose, Kalifornien.
versuchen Hersteller die Ausmaße der einzelnen Chips auf der
Baugruppe zu minimieren und sie gleichzeitig schneller und verlustleistungsärmer
zu machen, bei gleichzeitig niedrigeren Kosten
versteht sich. Diese Methode auf Chip-Ebene läuft jedoch nur auf
stufenweise Einsparungen hinaus und löst so nur einen Teil des
Problems. „Selbst wenn die einzelnen Chips weniger Energie verbrauchen,
wird dem Energieverbrauch des gesamten Systems nur
wenig Beachtung geschenkt“, erläutert Lonny Trahan. „In den letzen
Jahren haben wir den Einsatz serieller Busse aufkommen sehen,
um die Kommunikation zwischen einzelnen Chips oder Subsystemen
auf der Baugruppe zu ermöglichen. Diese Standards für
die Kommunikation zwischen den Chips sind wichtig für die Reduzierung
der Verlustleistung des Systems, benötigen aber in der
Regel teure Komponenten.“
Lösung: Eine Methode auf System ebene für das Power-Management.
Es sind diverse Techniken nötig, um das Power-Management
für das Gesamtsystem erfolgreich auf einen einzigen Chip zu integrieren.
Problem: „Die meisten Firmen sind nur auf einige wenige
dieser Techniken spezialisiert und besitzen nicht das Know-how
und die Expertise, um diese Integration durchzuführen“, weiß Trahan.
Er ist sich sicher: „IDT hat dieses wichtige Know-how.“
54 elektronikJOURNAL 02/2011
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Hintergrund-Bild: r.classen - Fotolia

Bild: IDT
Auf einen Blick
Energiesparfaktor Power-Management
Effi zientes Power-Management trägt dazu bei, Energie zu sparen. Klassisches Power-
Management beschäftigt sich damit, die einzelnen Bausteine zu optimieren und effi -
zienter zu gestalten. Das ist nicht genug, meint IDT und hat deshalb einen Systemansatz
entwickelt, der den Energiefl uss insgesamt optimal kontrolliert und steuert.
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Das Power-Management integrieren
Die Lösung des Herstellers: Er betrachtet das Power-Management auf System ebene
und stellt fest, dass sich durch Steuern der Energie, die durch das System � ießt,
größere Energieeinsparungen und ein höherer Systemwirkungsgrad erzielen lässt.
„Unser neu vorgestellter IDT P95020 ist eine intelligente Power-Management-Lösung,
die auf den Einsatz in tragbaren Consumer-Elektronik-Produkten, wie Smartphones,
Navigationssysteme, Internet-Zugangsgeräte und E-Books, zielt“, nennt
Lonny Trahan einen Lösungsvorschlag. Der IDT P95020 beinhaltet ein erstklassiges
High-Fidelidy-Audio-Subsystem, Takterzeugung, einen resistiven Touch-Controller,
Treiber für LED-Hintergrundbeleuchtung, einen Li+/Polymer-Batterieladebaustein,
mehrkanalige DC/DC-Wandler und einen hoch-au� ösenden A/D-Wandler
auf einem einzigen Chip, zusammen mit einem eingebetteten Mikrocontroller.
Diese Ein-System-Lösung managt den Energie� uss im gesamten System. Der
Mikrocontroller kann beispielsweise in Echtzeit die Funktionen aller Subsysteme
überwachen und jedes Subsystem ein- oder ausschalten, abhängig davon, was in
Echtzeit gerade geschieht. Wenn ein bestimmtes System nicht arbeitet, kann der
Mikrocontroller es herunterfahren, so dass sich erheblich Energie sparen lässt. Zudem
erfordert die Implementierung dieses Funktionsumfangs die Integration von
seriellen Bussen.
Systemleistung verbessern
Die Power-Management-Architektur erlaubt es dem Mikrocontroller, alle Ressourcen
auf dem Chip zu managen und auch allgemeine Verwaltungsaufgaben
und I/O-Verarbeitung vom Applikationsprozessor auszulagern. Diese Eigenscha�
resultiert nach Herstelleraussagen, zusammen mit programmierbaren Regelungsblöcken
für die Systemenergie und einem Power-Management-Programm auf
dem Chip, in höherer Systemleistung und längerer Batteriebetriebszeit. Ein weiteres
Beispiel: die Power-Smart-Technik, die IDT insbesondere für Displays von
Notebooks und Netbooks entwickelt hat. „IDT stellte die industrieweit erste Einchip-Power-Management-Lösung
vor, die einen Timing-Controller, Power-Mamagement
und LED-Treiber auf einem einzigen Chip integriert“, ist Trahan überzeugt.
Dadurch lassen sich Stückliste und die Ausmaße von Netbooks, Tablet-PCs
und Notebooks reduzieren. Die Lösung integriert einen LVDS-Eingang und Mini-
LVDS-Ausgangs-Timing-Controller mit einem voll-integrierten Power-Management
und einem vierkanaligen LED-Treiber für die LED-Hintergrundbeleuchtung.
Vorteil: Die Power-Smart-Lösung hil� Entwicklern, Geld zu sparen und das
entsprechende Produkt schnell in den Markt einzuführen. (eck) ■
Der Beitrag basiert auf Materialvorlagen von Lonny Trahan von IDT in San Jose, USA.
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Intelligentes
integriertes
Power-Management
trägt erheblich dazu
bei, Energie in
elektronischen
Geräten zu sparen.

Stromversorgungen und
Powermanagement
Der Würfel ist gefallen
Kleinerer und effizienterer Ein-Watt-DC/DC-Wandler dank Würfelform
Auf der Beliebtheitsskala klettert die Surface-Mount-Device-Technologie (SMD) immer weiter nach oben. So auch
im Stromversorgungsbereich. Murata Power Solutions hat einen DC/DC-Wandler entwickelt, der nicht nur auf der
Oberfläche montierbar ist, sondern darüber hinaus mit kleinen Maßen sowie entsprechender Leistung, Isolierung
und Regelung glänzt. Sein Name: Cube, The Cube. Der Name ist Programm.
Mit ihrer Fähigkeit, eine isolierte Low-Power-Stromversorgung
einfach bereitzustellen, wie sie in Anwendungen
zur Prozesssteuerung und in industriellen Kommunikationsschnittstellen
erforderlich ist, wurden gekapselte
DC/DC-Wandler zur Durchkontaktierungsmontage vor
mehr als 20 Jahren immer beliebter“, blickt Ann-Marie Bayliss,
Product Marketing Manager bei Murata Power Solutions in Milton
Keynes, Großbritannien, zurück. Der verfügbare Ein- und Ausgangsspannungsbereich
entwickelte sich schnell weiter, um die
gängigen Anforderungen in der Industrie zu erfüllen. Der Wandel
in SMD-Gehäusen stellt dabei die wichtigste Änderung des ursprünglichen
Produktkonzepts dar. Neuentwicklungen sorgen bei
den SMD-Gehäusen für eine Weiterentwicklung. „Die Entwick-
lung eines kleinen DC/DC-Wandlers, der die heutigen Leistungsanforderungen
erfüllen und auch eine gewisse Zukunftssicherheit
bieten soll, ist nicht einfach“, betont Ann-Marie Bayliss.
Was muss beachtet werden? Zuerst muss sich der Entwickler darüber
im Klaren sein, welche Topologie er wählt, damit die Größeneinschränkungen
der Miniaturisierungsanforderungen erfüllt
werden und gleichzeitig ausreichend Leistung, Isolierung und Regelung
zur Verfügung gestellt werden können. Der gewählte Ansatz
sollte eine Reihe gängiger Ein- und Ausgangsspannungen unterstützen
und idealerweise erweiterbar sein, um mehr Leistung
mit einer ähnlichen Plattform zu erzielen. Eine Isolationsbarriere,
die 1 kV DC widersteht, erfordert eine Transformatorkopplung
mit einer AC-Primärsteuerung und einer Sekundär-Gleichrich-
56 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com
Großes Bild: r.classen - Fotolia

Bild 1: Die MTU1-Produktreihe verbessert die Möglichkeit der Ausgangslastregelung
erheblich.
tung. Bei dieser Umsetzung müssen allerdings unweigerlich Kompromisse
getroffen werden, da zwischen Bauteilanzahl und Wirkungsgrad
abzuwägen ist.
Zwischen Bauteilanzahl und Wirkungsgrad entscheiden
Der herkömmliche Ansatz mit minimaler Bauteilanzahl basiert auf
einem so genannten Royer-Sättigungsschaltkreis, einer selbst oszillierenden
Push-Pull-Topologie, in der zwei Bipolartransistoren
gegenphasig die Primärtransformatorwindungen ansteuern und
ihre Basisströme von den gegenüberliegenden Enden einer mittig
angezapften Hilfswicklung beziehen. Das Anlegen einer DC-Eingangsspannung
über einen Start-up-Bias-Schaltkreis schaltet einen
Transistor ein, der solange aktiv bleibt, bis der Transformatorkern
in die Sättigung geht sowie die Transistorverstärkungslimits und
alle Transformator-Wicklungsspannungen zusammenbrechen.
Die Restenergie im Transformator sorgt für eine Umkehrung
der Polarität der Wicklungsspannungen, was den ersten Transistor
abschaltet und den zweiten mit einer Bias-Spannung auf den Aktivzustand
vorbereitet. Dieser sorgt dann für die Sättigung seiner
zugewiesenen Wicklungen. Der Vorgang wiederholt sich, um eine
Schwingung mit einer Frequenz zu erhalten, die proportional zur
Eingangsspannung ist. Dabei entsteht eine reckteckförmige Ausgangsspannung
für die Gleichrichtung.
Dieser grundlegende Schaltkreis hat mehrere Nachteile, allen
voran fehlt die Regelungsmöglichkeit. Die Ausgangsspannung ist
eine Funktion der Eingangsspannung, interner Verluste und dem
Windungsverhältnis des Transformators. Hinzu kommt ein
schlechter Wirkungsgrad durch Halbleiterschalt- und Magnetkernverluste
bei den hohen Frequenzen, die kleine Transformatoren
erfordern. Zu den Variationen dieser Technik zählt eine Ände-
Bild 2: Punktet mit quadratischer Bauform: der MTU1.
HMS
Open-Loop-Technologie auf höherem Niveau:
Mit einem SMD-Stromwandler
• automatische Montage
• spezieller, integrierter LEM-ASIC
• Mikrocontroller oder A/D-Wandler kompatibel,
interne Referenz außen zugänglich oder
extern überschreibbar, unipolare
5-V-Versorgung
• verbesserte Offset- und Verstärkungs-Drift
sowie erhöhte Linearität im Vergleich zur
herkömmlichen Open-Loop-Technologie
• URef IN/OUT am gleichen Anschluss
• 8 mm Luft- und Kriechstrecke + CTI 600
• sehr geringe Einfügungsverluste im Messkreis
• mehrere Strombereiche von 5 bis 20 A eff
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02/2011 57
PCIM
Europe 2011
Halle 12-402
Serienreif:
Der SMD-Strommesswandler
von LEM

Stromversorgungen und
Powermanagement
Bild 3: Die DC/DC-Wandler erreichen oder übertreffen 80 Prozent Wirkungsgrad ab etwa 40 Prozent der zur Verfügung stehenden Ausgangsleistung.
rung des Schaltkreises, um eine verlustbehaft ete Kernsättigung zu
vermeiden. „Damit ergibt sich potenziell ein höherer Wirkungsgrad“,
erklärt Ann-Marie Bayliss, muss aber einräumen: „allerdings
auf Kosten der Komplexität und Größe.“
Elektrische Spezifi kationen optimieren
Durch die Kombination proprietärer Schaltkreisverbesserungen
und moderner Bauteilfertigungstechniken sind Entwickler in der
Auf einen Blick
Anforderungen bei DC/DC-Wandlern in
SMD-Technologie
SMD-Komponenten sind in der Regel schnellen und vor allem hohen
Temperaturanstiegen ausgeliefert. Hier spielt die Feuchtigkeitsaufnahme
eine wichtige Rolle. Daher hat Murata Power Solutions seine
„tiny“ Wandlerserie MTU1– auch aufgrund seiner quadratischen Form
the cube genannt – für MLS1 ausgelegt. Des Weiteren punktet der effi
ziente Baustein mit optimierten technischen Spezifi kationen, wie eine
optimierte Lastregelung und verbesserte Ringmagneten.
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Lage, die Lastregelung eines solchen Wandlers zu verbessern. Die
Mitarbeiter des Herstellers konnten die Lastregulierungs-Performance
des MTU1 auf maximal -4 bis +5,5 Prozent von 10 Prozent
Volllast aufwärts optimieren. Im Vergleich dazu erzielten frühere
Baureihen -7,5 bis +10 Prozent, wie in Bild 1 zu sehen. In vielen
Anwendungen macht eine Lastregelung ineffi ziente und platzraubende
lineare Nachregelungsstufen überfl üssig. Gleichzeitig trägt
eine Verbesserung des Ringmagneten im Baustein zu einem besseren
Wirkungsgrad bei, der zwischen 83 und 88 Prozent liegt. Darüber
hinaus wurde die Schaltfrequenz von 110 auf 82 kHz für
MTU1-Wandler mit 5-V-Eingang und auf 90 kHz für Varianten
mit 12-V-Eingang gesenkt. Das sorgt ebenfalls für eine Minimierung
der dynamischen Verluste. Bild 3 zeigt, wie die Wirkungsgradkurven
80 Prozent erreichen oder übertreff en – und das bei
etwa 40 Prozent der Ausgangsleistung. Die Kurven bleiben ab 50
Prozent aufwärts nahezu fl ach.
Der höhere Wirkungsgrad drückt sich direkt in einer etwa 56
Prozent niedrigeren internen Verlustleistung aus, was Hot-Sports
minimiert und die Zuverlässigkeit erhöht. Auch die Wärmelast des
Gesamtsystems lässt sich somit minimieren. Die MTU1-Baureihe
ist für einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 °C ausgelegt.
Zu den weiteren Verbesserungen in Hinsicht auf die elektrische
Leistungsfähigkeit zählt ein von 30 mA(SS) auf 5 bis 6 mA
Bilder: Murata Power Solutions

gesenkter Brummstrom und eine um das zwei- bis dreifache niedrigere
Isolationskapazität. „Damit vereinfachen sich auch die Anforderungen
an die Eingangsfilterung“, betont Ann-Marie Bayliss.
„Die geringere Kapazität isoliert den Ein- und Ausgang noch mehr
und macht den Wandler weniger anfällig für eine Rauschübertragung
über seine Isolationsbarriere, was sonst empfindliche Lasten
stören könnte.“
Die Stellfläche reduzieren
„Die wichtigste Verbesserung der MTU1-Serie liegt in der neuen
Stellfläche“, verkündet Ann-Marie Bayliss nicht ganz ohne Stolz.
Murata PS gelangt es, das Maß 12,7 mal 11,7 Millimeter für Wandler
nach Industriestandard auf 9,10 mal 6,08 Millimeter zu reduzieren.
Das entspricht einer Grundfläche von 0,69 cm² oberhalb
der Anschlüsse und der effektiven Leistungsdichte 1,71 W/cm³.
Der würfelähnliche Aufbau hat Abmessungen von 8,2 mal 8,4 mal
8,5 Millimeter. Bild 4 zeigt die zum Patent angemeldete Open-
Frame-Konstruktion des RoHS-konformen MTU1-Gehäuses. Das
Material entspricht dabei der Spezifikation nach UL 94V-0.
Bild 4: Das würfelförmige Gehäuse
des MTU1 erzielt MSL1-Rating und
vereinfacht die automatisierte Montage.
Der Kopf sagt ja
Und der Bauch? Was manchen nicht so wichtig ist, das pfl egen wir seit Generationen: Uns reicht es nicht,
für die Aufgaben unserer Kunden eine passende Lösung zu bieten. Wir wollen die beste. Zum Beispiel bei
hoch effi zienten Stromversorgungen wie primärgetakteten Schaltnetzteilen, ob in der Standardreihe oder
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Stromversorgungen und
Powermanagement
Durch die flache Oberseite der
Würfelform ist eine einfache
Handhabung gewährleistet:
Ann-Marie Bayliss, Product Marketing Manager,
Murata Power Solutions in Milton Keynes,
Großbritannien.
MSL1-Grad mit fertigungsrelevanten
Designaspekten erzielen
Im Gegensatz zu den kunststoffgekapselten Gehäusen der Wandler
nach Industriestandard weist die Zusammensetzung des MTU1-
Gehäuses einen Moisture-Sensitivity-Level von 1 auf (MSL). Die
Feuchtigkeitsaufnahme/-bindung ist bei vielen SMD-Komponenten
ein wichtiger Aspekt, weil sie zu großen Belastungen führen
kann, wenn das Bauteil schnellen und hohen Temperaturanstiegen
unterzogen wird. Das kann beispielsweise beim bleifreien Löten in
Reflow-Prozessen der Fall sein, bei denen Spitzentemperaturen bis
zu 245 °C erreicht werden. Das dabei auftretende Ausgasen kann
den Wandler leicht zerstören und ist allgemein als so genanntes
Popcorn-Cracking, Rissbildung, bekannt.
Die Komponentenhersteller klassifizieren die Feuchtigkeitsempfindlichkeit
ihrer Bauteile auf einer Skala. Der IPC/Jedec-Standard
J-STD-20 weist die Raten 1 bis 6 auf, wobei MSL1 bedeutet, dass
das Bauteil immun gegen Rissbildung ist – unabhängig von der
Feuchtigkeitseinwirkung. Das Gehäuse des MTU1 muss nicht vorgehärtet
werden, wie es bei Bauteilen mit einer Klassifizierung unter
MSL1 regelmäßig erforderlich ist und sich negativ auf deren
Lötbarkeit auswirkt. Mit MSL1 sind auch keine teuren Maßnahmen
in Bezug auf Handhabung und Lagerung erforderlich. „Und
die Open-Frame-Konstruktion des MTU1 sorgt für einen sicheren
und zuverlässigen Reflow-Lötprozess, bei dem interne Lötbrücken
vermieden werden“, unterstreicht Ann-Marie Bayliss. „Durch die
flache Oberseite der Würfelform ist eine einfache Handhabung mit
Standard-Vakuum-Pick&Place-Automaten gewährleistet.“ (eck) n
Der Beitrag baisert auf Textmaterial von Ann-Marie Bayliss, Product
Marketing Manager bei Murata Power Solutions im britischen Milton Keynes.

Passive und E-Mechanik
Das heiße Eisen schmieden
Weichmagnetische Werkstoffe verbessern
Entstöreigenschaften stromkompensierter Drosseln
In der Elektronik und Elektrotechnik haben weichmagnetische Werkstoffe an Bedeutung
gewonnen. Die Vacuumschmelze hat für viele Applikationsfelder, wie erneuerbare
Energien, diverse Legierungen entwickelt. Diese tragen zur verlustarmen Energieübertragung
bei oder sorgen für einen störungsfreien Betrieb elektronischer Geräte.
Autor: Roman Klinger
60 elektronikJOURNAL 02 / 2011
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Bild: Valeriy Lebedev - Fotolia

Hochwertige weichmagnetische Legierungen sind in der
Regel von außen nicht sofort sichtbar, erfüllen aber wichtige
Funktionen. Insbesondere Ringbandkerne aus der
nanokristallinen Legierung Vitroperm haben sich auf
Grund ihres Eigenscha� spro� ls in stromkompensierten Drosseln
(SKD) bei der Entstörung elektronischer Geräte bewährt. Neben
einer hohen Dämpfung im niederfrequenten Bereich zeichnen sich
die SKDs durch gute Hochfrequenzdämpfungseigenscha� en aus.
Im Vergleich zu Drosseln mit Ferritkernen ergibt das breitbandige
Entstörverhalten im Zusammenspiel
mit den entsprechenden thermischen
www.elektronikjournal.com
Auf einen Blick
Eigenscha� en spürbare Vorteile bei der
Filterauslegung und ermöglicht zuverlässige
Funkentstör� lter.
Unter bestimmten Bedingungen lassen
sich in vielen Fällen einstu� ge EMV-
Filter an Stelle von zweistu� gen Versionen
realisieren und damit die Anzahl
der passiven Komponenten, die Systemkosten
und die Baugröße reduzieren.
Durch die Verwendung kostengünstiger
Legierungsbestandteile auf Eisen-Basis
und moderner Großserienproduktion
hat sich Vitroperm bereits in vielfältigen
Applikationen als wettbewerbsfähige
Universallösung für EMV-Probleme
etabliert. Hauptanwendungsfelder für
nanokristalline SKDs: Schaltnetzteile, unterbrechungsfreie Stromversorgungen,
Schweißgeräte, Solarwechselrichter, Windkra� anlagen
und Frequenzumrichter. Die nanokristallinen Vitroperm-
Legierungen sind Werksto� e auf der Basis von Eisen, Silizium und
Bor mit Zusätzen von Niob und Kupfer. Sie lassen sich mit Hilfe
der Rascherstarrungstechnologie als dünne Bänder in einem
Schritt in ihrer Enddicke von zirka 20 µm herstellen.
Die Details betrachten
Auf speziellen Wickelmaschinen werden die Bänder zu Ringbandkernen
im Abmessungsbereich von 2 bis 600 mm weiterverarbeitet.
Zur Ausbildung der nanokristallinen Mikrostruktur unterzieht
der Hersteller die im Herstellzustand noch amorphen Bänder einer
Wärmebehandlung bei 500 bis 600 °C. Dabei entsteht eine
Zweiphasenstruktur mit feinkristallinen Körnern, die in
eine amorphe Restphase eingebettet sind.
Dieses strukturelle Merkmal ist die Voraussetzung,
um hohe Permeabilität und kleine Koerzitivfeldstärke
zu erreichen. Daneben sorgen eine niedrige
Banddicke und der elektrische Widerstand von 1,1
bis 1,2 µΩm für kleinstmögliche Wirbelstromverluste
und einen ausgezeichneten Frequenzgang
Auf das richtige Material kommt es an
Nicht nur in der Leistungselektronik spielt das richtige Material
eine wichtige Rolle, auch bei passiven Bauelementen
sorgt es für erhebliche Verbesserungen. Weichmagnetische
Werkstoffe, wie das von der Vacuumschmelze entwickelte
Vitroperm, helfen bei einem störungsfreien Betrieb elektronischer
Geräte und tragen zur verlustarmen Energieübertragung
bei. Insbesondere die nanokristallinen stromkompensierten
Drosseln profi tieren von herausragenden thermischen
Eigenschaften und Sättigungsverhalten.
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Passive und E-Mechanik
Stromkompensierte Drosseln punkten mit einer hohen Dämpfung im nieder-
und hochfrequenten Bereich.
der Permeabilität. Diese Kombination verknüpft mit einer Sättigungsflussdichte
von 1,2 Tesla sowie günstige thermische Eigenschaften
machen das nanokristalline weichmagnetische High-
Tech-Material Vitroperm zur Lösung für EMV-Probleme, die konventionellen
Ferriten und amorphen Werkstoffen in vielen Punkten
überlegen ist.
Im Vergleich: Vitroperm versus Ferrit
Vitroperm unterscheidet sich in seinen Eigenschaften ganz wesentlich
von herkömmlichen Ferritmaterialien. Um zu einer optimalen
Lösung zu kommen, muss dieser Fakt bei der Filterauslegung
berücksichtigt werden. Die Permeabilität von Vitroperm
500F liegt im niederfrequenten Bereich deutlich höher als die
von Ferrit. Zu höheren Frequenzen zeigen die nanokristallinen
Materialien einen weniger starken μ-Abfall. Bei Ferriten weist
μ(f) einen flachen Verlauf in dem Bereich von einigen hundert
Kilohertz bis etwa einem Megahertz auf. Hier bestimmt μ’ die
Dämpfungseigenschaften und die Induktivität L dominiert für
die Impedanz |Z|. Liegt die Eigenresonanz der Drossel in diesem
Frequenzbereich, so ist die Dämpfungskurve schmalbandig und
die Dämpfung erfolgt vor allem durch Reflexion des Störsignals.
Erst oberhalb von 1 MHz übernimmt Re(Z) den Hauptanteil der
Dämpfung und μ’’ dominiert das Geschehen. Liegt die Eigenresonanz
in diesem Bereich, wird die Dämpfungskurve zunehmend
breitbandiger.
Bei Vitroperm reicht der flache Bereich von μ(f) je nach Permeabilitätsniveau
bis zu Frequenzen von einigen zehn Kilohertz. Die
Dämpfung beziehungsweise die Impedanz wird folglich bereits bei
diesen Frequenzen von Re(Z) dominiert und erfolgt im EMV-relevanten
Bereich oberhalb der 150 kHz immer breitbandig. Die Induktivität
spielt nur eine untergeordnete Rolle und beschreibt das
Dämpfungsverhalten nur anteilig. Maßgeblich ist der komplette
Betrag der Impedanz. Die für Ferritdrosseln mögliche Näherung
|Z|=ωL ist für Vitroperm-Drosseln nicht möglich: hier gilt |Z|>>ωL.
Die Dämpfung erfolgt weniger durch Reflexion, sondern vor allem
durch Absorption des Störsignals.
Im Blickpunkt: Impedanz und Wärmeverhalten
Eine hohe Impedanz lässt sich besser durch den Einsatz eines
hochpermeablen Kernmaterials erzielen als durch eine Erhöhung
der Windungszahl, weil eine kleine Windungszahl zu einer niedrigen
Wicklungskapazität und dadurch zu verbesserten HF-Eigenschaften
führt.
Beispiel: Mit optimierten und kapazitätsarmen Drosseln der Vacuumschmelze
lassen sich bei gleichem Materialeinsatz deutlich
Die Einfügedämpfung einer Drossel aus Vitroperm 500F bleibt im Temperaturbereich
von -40 bis über 150 °C nahezu temperaturunabhängig.
Die Werkstoffeigenschaften
von Vitroperm
auf einen Blick.
bessere Hochfrequenzeigenschaften erreichen. Die Sättigungsflussdichte
von Vitroperm ändert sich im Anwendungstemperaturbereich
bis 150 °C um wenige Prozent, während Mangan-Zink-
Ferrite bis 100 °C um bis zu 40 Prozent abfallen. Durch die hohe
Curie-Temperatur von mehr als 600 °C darf die maximale Arbeitstemperatur
von Vitroperm zeitlich befristet 180 bis 200 °C erreichen.
Die Einfügedämpfung oder auch die Impedanz einer Drossel
aus Vitroperm 500F bleibt im Temperaturbereich von minus 40 bis
über plus 150 °C nahezu temperaturunabhängig. Bei Ferritdrosseln
ist mit steigender Temperatur eine deutliche Abnahme der
Einfügedämpfung zu verzeichnen.
Das Sättigungsverhalten betrachten
Durch hohe Induktivitäten in kompakten Drossel- und Kernabmessungen
erhöht sich allerdings die Empfindlichkeit gegen unsymmetrische
Magnetisierungsbedingungen, die durch Common-
Mode, Unsymmetrie- oder Ableitströme verursacht werden. Bei
Vitroperm wirkt sich die im Vergleich zu Ferriten ungefähr dreimal
höhere Sättigungsflussdichte von 1,2 Tesla äußerst vorteilhaft
aus. Der Entwickler muss jedoch das für den spezifischen Anwendungsfall
passende μ-Niveau auswählen, um eine sättigungsfeste
Lösung zu finden.
Fazit: Die Materialeigenschaften nanokristalliner Kernwerkstoffe
ermöglichen stromkompensierte Drosseln mit hoher Induktivität
bei niedrigen Windungszahlen. Deshalb eignen sich Vitroperm-
Drosseln bei hohen Strömen und bei hohen Spannungen gleichermaßen.
Das Hanauer Unternehmen stellt weiterführende Informationen
zu Kernen und stromkompensierten Funkentstördrosseln
in seiner Applikationsschrift „Nanokristallines Vitroperm – EMV-
Produkte“ zur Verfügung. (eck) n
Der Autor: Roman Klinger, Produktmarketing Industrie-
Anwendungen Kerne und Bauelemente bei der
Vacuumschmelze in Hanau.
62 elektronikJOURNAL 02/2011
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Passive und E-Mechanik
Born to protect
Wärmeschutzbausteine verhindern
Power-FET-Ausfälle im Kfz
In Automotive-Umgebungen sind Leistungsmosfets
nicht nur extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt,
sondern müssen auch hohen mechanischen
Belastungen standhalten. Kein Wunder, dass diese im
Laufe der Zeit ausfallen können. Damit das System
nicht leidet, hat TE Connectivity (ehemals Tyco Electronics)
den RTP-Baustein entwickelt: Eine Schutzkomponente,
die den Strom unterbricht, wenn der
Mosfet ausfällt. Autor: Werner Gretzke
64 elektronikJOURNAL 02 / 2011
www.elektronikjournal.com
Bild: khz - Fotolia

Die stetig wachsende Nachfrage nach Elektronik, die sich
in anspruchsvollen Umgebungen, beispielsweise unter
der Motorhaube und in rauen industriellen Anwendungen
einsetzen lässt, steigert den Bedarf an modernen
Mate rialien und e� zienten Leistungskomponenten. Hochleistungsanwendungen
bei hohen Temperaturen stellen hohe Anforderungen
an Leistungselektroniksysteme. Das kann unter Umständen
schwerwiegende Wärmeprobleme zur Folge haben, wenn
Komponenten, wie Leistungs-Felde� ekttransitoren (Power-FETs),
Kondensatoren, Widerstände oder integrierte Schaltungen diesen
rauen Umgebungen lange ausgesetzt sind.
In Automotive-Umgebungen sind Power-FETs routinemäßig
extremen Temperaturschwankungen und hoher thermo-mechanischer
Belastung ausgesetzt. Intermittierende Kurzschlüsse, kalte
Betriebsumgebungen, hohe Lichtbögen oder Kurzschluss-Spitzen
sowie induktive Lasten und mehrere Kurzschlüsse können im Laufe
der Zeit zu Ermüdungserscheinungen des Bausteins führen. Obwohl
die Leistungsbausteine zunehmend robuster designt werden,
sind sie anfällig für Ausfälle. Diese können in der Regel sehr schnell
eintreten, wenn die Nennwerte der Leistungsbausteine überschritten
werden. Bei Überschreiten der maximalen Betriebsspannung
eines Power-FET erfolgt ein Lawinendurchbruch. Wenn die Energie
in der transienten Überspannung oberhalb der nominalen Lawinenenergie
liegt, versagt der Baustein. Dies erzeugt ein destruktives
thermisches Ereignis, das Rauch oder Flammen erzeugt oder
dazu führen kann, dass sich der Baustein selbstständig entlötet.
Problem: Schwachstellen in der Leistungskomponente
Ein Vergleich der Power-FET-Ausfallraten im Verlauf der Zeit
zeigt, dass Bausteine in rauen Umgebungen höhere PPM-Ausfallraten
aufweisen. Nach fünf Jahren Einsatz kann der Unterschied
größer als ein Faktor von zehn sein. Obwohl ein Power-FET anfängliche
Tests bestehen kann, ist erwiesen, dass unter bestimmten
Bedingungen zufällig verteilte Schwachstellen in der Leistungskomponente
einen Ausfall während des Einsatzes verursachen
können. Selbst in Situationen, in denen die Bausteine innerhalb
der angegebenen Betriebsbedingungen arbeiten, ließen sich zufällig
verteilte und unvorhersagbare resistive Kurzschlüsse bei unterschiedlichen
Widerstandswerten beobachten. Der Ausfall im resistiven
Modus ist besonders von Bedenken – für die Power-FETs
und die Leiterplatten. Bereits 10 Watt können eine lokalisierte
Heißstelle von mehr als 180 Grad Celsius erzeugen, was deutlich
über der typischen Glasübergangstemperatur einer Leiterplatte
von 135 Grad Celsius liegt. Das beschädigt die Epoxidstruktur der
Leiterplatte und verursacht ein thermisches Ereignis.
Bild 1: Ein Power-FET-Ausfall im resistiven Modus kann zu
unsicheren Übertemperaturzuständen führen.
Auf einen Blick
Passive und E-Mechanik
Wenn Power-FETs im Automotive ausfallen...
...entstehen dennoch keine Schäden durch thermische Instabilität. In
Automotive-Umgebungen herrschen nicht nur extrem raue Temperaturen
vor, auch die thermo-mechanische Belastung ist nicht ohne. So führen
unter anderem Kurzschlüsse, Lichtbögen oder induktive Lasten zu
Ermüdungserscheinungen im Leistungsmosfet. Und trotz robusten Designs
ist die Leistungskomponente vor Ausfällen nicht gefeit. Der RTP-
Schutzbaustein von Tyco Electronics schafft hier Abhilfe. Er sorgt dafür,
dass keine Schäden durch Voll- oder resistive Kurzschlüsse entstehen,
was dem Gesamtsystem zu Gute kommt.
infoDIREKT www.all-electronics.de 111ejl0211
Bild 1 beschreibt ein Szenario, in dem ein ausgefallener Power-
FET keinen harten kurzen Überstromzustand generiert, sondern
einen resistiven Kurzschluss. Folge: Es werden unsichere Temperaturen
durch I2R-Erwärmung erzeugt. In diesem Fall ist der resultierende
Strom unter Umständen nicht hoch genug, um eine Standardsicherung
durchzubrennen und thermische Instabilität auf
der Leiterplatte zu stoppen.
Lösungen entwickeln: Der RTP-Baustein
Aufgrund der starken Nachfrage nach einem robusten und zuverlässigen
SMD-Baustein, der thermische Schäden infolge eines Versagens
der Leistungselektronik verhindern kann, hat TE Connectivity
(ehemals Tyco Electronics) einen Re� owable-� ermal-Protection-Baustein
(RTP) entwickelt und vor kurzem in den Markt eingeführt.
Dieser sekundäre Wärmeschutzbaustein kann redundante
Power-FETs, Relais und schwere Kühlkörper ersetzen, die normalerweise
in Elektronikdesigns im Kfz- und Industriebereich zum
Einsatz kommen.
Wenn ein Leistungskomponentenversagen oder ein Leiterplattendefekt
unsichere Übertemperaturzustände erzeugt, unterbricht
der RTP-Baustein den Strom und verhindert thermische Instabilität,
die kritische Schäden verursachen kann. Die Komponente ö� -
net sich bei 200 Grad Celsius: Das liegt über den normalen Betriebstemperaturen,
aber unter den Aufschmelztemperaturen von
bleifreien Lötmitteln. Bild 2 verdeutlicht, dass der RTP-Baustein
die FET-Temperatur verfolgt und den Schaltkreis ö� net, bevor eine
langsame thermische Instabilität einen unerwünschten thermischen
Zustand auf der Leiterplatte erzeugt, wenn der Baustein in
Reihe auf der Stromleitung in der Nähe des FET integriert wird.
Bild 2: Bei einer langsamen thermischen Instabilität verfolgt der RTP200-Baustein die
Power-FET-Temperatur, bis der Baustein den Schaltkreis bei 200 Grad Celsius öffnet.
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02 / 2011 65
Bilder: Tyco Electronics

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Alle eingetragenen Warennamen sind eingetragene Warenzeichen der jeweiligen Hersteller!
Verhindert Schäden durch thermische Instabilität: Die Schutzkomponente
RTP (Reflowable Thermal Protection).
Funktionsweise betrachten
Die Öffnungstemperatur des RTP-Bausteins von 200 Grad Celsius
verhindert falsche Aktivierungen und verbessert die Systemzuverlässigkeit,
weil dieser Wert oberhalb des normalen Betriebsfensters
der meisten, normal funktionierenden Elektronik liegt, aber unterhalb
des Schmelzpunkts von bleifreien Lötmitteln. Der Baustein
wird somit nicht geöffnet, wenn die umliegenden Komponenten in
ihrem Zieltemperaturbereich arbeiten. Allerdings wird er geöffnet,
bevor eine Komponente ausgelötet wird und das potenzielle Risiko
von zusätzlichen Kurzschlüssen entsteht. Damit beim Einsatz der
Komponente die Öffnung bei 200 Grad Celsius funktioniert, verwendet
sie ein einmaliges elektronisches Aktivierungsverfahren,
um thermisch empfindlich zu werden. Vor der Aktivierung kann
der Baustein drei Aufschmelzschritte von bleifreien Lötmitteln
standhalten, ohne sich zu öffnen. Das Timing der elektronischen
Aktivierung wird vom Anwender bestimmt und lässt sich so konfigurieren,
dass die Aktivierung automatisch beim Einschalten des
Systems oder während der Systemtests erfolgt.
Fazit
Der RTP-Baustein schützt vor Schäden durch thermische Instabilität,
die durch ausgefallene FETs, Kondensatoren, integrierte
Schaltungen, Widerstände und andere Komponenten, die Risse
bilden oder korrodieren können, verursacht werden. Die thermische
Empfindlichkeit des Bausteins ist von Vorteil, weil in manchen
Fällen ausgefallene Leistungskomponenten keinen Vollkurzschluss-Überstromzustand
erzeugen können. Folge: Es wird ein
resistiver Kurzschluss erzeugt, der von einer herkömmlichen Sicherung
nicht geöffnet werden kann. Diese Art von Ereignis verringert
beispielsweise den Laststrom, kann jedoch trotzdem thermische
Instabilität verursachen. Der RTP-Baustein verhindert
Schäden, die sowohl durch Vollkurzschlüsse als auch resistive
Kurzschlüsse verursacht werden. (eck) n
Der Autor: Werner Gretzke, Vertriebsdirektor EMEA bei TE
Connectivity, Schaltungsschutzbausteine in Dreieich.
66 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com

Bilder: Epson
So klein, so groß
Oszillationsfrequenz und Stabilität erhöhen
Für Ausbau und Entwicklung schneller
Kommunikationsnetze und großer Kapazitäten
sind hohe Frequenzen und ein niedriger
Jitter wichtige Merkmale für die Taktgeber
in LAN-und SAN-Geräten, die an
Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetzwerken
angeschlossen sind, zum Beispiel
8 GBit/s Fibre Channel und 10 GBit/s
Ethernet. Um die Stabilität der Kommunikation
sicherzustellen, werden niedrige
Spannungspegel benötigt, beispielsweise
LVDS und LV-PECL. „Dafür sind
zuverlässige Oszillatoren erforderlich,
die einen stabilen Betrieb über
lange Zeiträume gewährleisten“, erklärt
Stefan Hartmann, Leiter der
QD-Abteilung bei Epson Europe
Electronics in München. Für diese
Anforderung hat Epson SAW-Oszillatoren
mit Differenzialausgabe
entwickelt. Die 5,0 mal 3,2 mal 1,4
mm große Produktfamilie EG-
2121/2102CB punktet mit einer
hohen Stabilität und einer hohen
Die Oszillatoren punkten mit kleiner
Baugröße und weniger Stromverbrauch
im Vergleich zu Vorgängermodellen.
Oszillationsfrequenz von mehr als
100 MHz. Damit konnte der Hersteller
nicht nur die Grundfläche
im Vergleich zu Vorgängermodellen
um 50 Prozent reduzieren, sondern
auch die Frequenzen erhöhen
und die Stabilität verbessern. Die
Oszillatoren unterstützen die Ausgabe
von 2,5 und 3,3 Volt LVDS
und LV-PECL mit 50 Prozent weniger
Stromverbrauch als ältere
Generationen.
Die Bausteine oszillieren mit
Grundfrequenzen im Bereich von
100 bis 700 MHz. Sie zeichnen
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* 14 Ct./Min. aus dem Festnetz der Dt. Telekom AG. Mobilfunk abweichend.
sich sowohl durch hohe Störunempfindlichkeit
als auch durch hohe Stabilität aus:
der Phasenjitter beträgt 0,5 ps bei einer
Frequenztoleranz von ± 50 x 10 -6 .
Die Oszillatoren verfügen über einen
integrierten SAW-Resonator, der gegen
Ausfälle durch Staubpartikel und andere
Fremdkörper resistent ist. Der Regulator
korrigiert Schwankungen in der externen
Stromversorgung. Der Betriebstemperaturbereich
rangiert standardmäßig von
Distrelec Schuricht GmbH
0 bis +70 °C. Muster
zur Evaluierung
stehen laut Hersteller
bereits zur
Verfügung, ab Dezember
dieses Jahres
sollen die Bau-
Passive und E-Mechanik
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Stefan Hartmann,
QD-Abteilung Epson
Europe in München.
steine auch in Produktionsstückzahlen
bestellt werden können. (eck) n
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Bilder: Metallux
Passive und E-Mechanik
Langer Atem
Leistungswiderstände in Windkraftanlagen einsetzen
Windkraftanlagen sind auf langlebige und
robuste Komponenten angewiesen – ein
Austausch ist nämlich kostenintensiv. Das
gilt auch für passive Bausteine. Die Leistungswiderstände
in Drahttechnologie des
in Korb am Neckar ansässigen Unternehmens
Metallux sorgen dafür, dass Windkraftanlagen
nicht die Puste ausgeht.
Platzierung Windkraftanlagen links profitieren von sicheren
Komponenten, wie Leistungswidersänden.
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Vor dem erneuten Anfahren der Anlage
nach betriebsbedingten Stillstandzeiten
kümmern sich die für diesen Einsatzbereich
entwickelten Komponenten, um eine
optimale Temperierung der Leistungselektronik
des Systemlieferanten Converteam
für seine Onshore-Windturbinen zu gewährleisten.
Für die unter extremen Witterungsbedingungen
arbeitenden Windturbinen
müssen Vorkehrungen für einen
dauerhaft fehlerfreien Betrieb getroffen
werden. So erfasst unter anderem ein komplexes
System von Temperatursensoren die
jeweiligen Betriebszustände und sorgt dafür,
dass alle elektronischen Komponenten
bei Umgebungstemperaturen unter null
Grad arbeiten können. Denn bei betriebsbedingten
Stillstandzeiten kühlen die Aggregate
nicht selten auf Temperaturen weit
unter dem Gefrierpunkt ab.
Converteam bringt Metallux-Leistungswiderstände
in Drahttechnologie zum Einsatz,
vorzugsweise werden Widerstände
der Serie PWR-S genutzt. Die hier einge-
Abgeschoben
Wärme effizient ableiten
The Bergquist Company erweitert ihr Angebot
der Gap-Pad-VO-Wärmeleitmaterialien
mit dem anpassungsfähigen Gap-Pad
VO Ultimate. Das Material verfügt über eine
Wärmeleitfähigkeit von 1,3 W/m -K für
Applikationen, die ein effizientes Wärmemanagement
für eine optimale Systemzuverlässigkeit
benötigen. Vorteile: Gap-Pad
VO Ultimate lässt sich leicht komprimieren,
weist ein Elastizitätsmodul von 90 kPa
auf, minimiert somit den Druck auf Bauteile
und ermöglicht ebenfalls eine belastungsarme
Vibrationsdämpfung.
Die Anpassungsfähigkeit gewährleistet
nach Herstelleraussagen eine gute Anbindung
und Benetzung – selbst wenn Oberflächen
eine raue oder unebene Beschaffenheit
aufweisen. Der gummierte Glasfaserträger
von Gap-Pad VO Ultimate vereinfacht
die Handhabung und bietet eine
hohe Durchdrück-, Scher- und Reißfestigkeit.
Die leichte Eigenhaftung des Materials
verringert das Risiko, dass sich das Pad
während der Montage verschiebt. Die hohe
elektrische Isolation mit einer dielektri-
Bild: The Bergquist
Punktet mit einer montagefreundlichen Bauform
und langer Lebensdauer: die PWR-S-Familie.
setzten Materialien garantieren im Zusammenspiel
mit der Schutzklasse IP 55 einen
sicheren Betrieb und sorgen für eine lange
Lebensdauer. Die Anordnung des Widerstandsdrahtes
im Inneren des Aluminiumprofils
gewährleistet eine hohe und zuverlässige
elektrische Isolation und wirkt zugleich
eigensicher. Niedrige Wärmeübergangswiderstände
sorgen für eine zügige
Wärmeableitung und erhöhen damit die
Leistungsfähigkeit. Einsatzbereiche neben
Windkraftanlagen: Automatisierungsanlagen,
Industrieroboter oder Industriewaschmaschinen.
Der Betriebstemperaturbereich
reicht von -50 bis +200 °C. (eck) n
infoDIREKT 122ejl0211
schen Durchbruchspannung von 6000 V
AC ermöglicht den Einsatz des Materials in
Anwendungen, die eine Isolation zwischen
Kühlkörpern und Bauteilen mit hoher
Spannung erfordern. Dazu zählen Stromversorgungen,
Telekommunikations- und
Netzwerk-Boards, Computer und Peripherie,
sowie jeder Bereich, aus dem Wärme
abtransportiert werden muss. Das Wärmeleitmaterial
Gap-Pad VO Ultimate gibt es
von 0,508 bis 3,175 mm. (eck) n
infoDIREKT 124ejl0211
Wärmemanagement leicht gemacht mit der
Gap-Pad VO Ultimate.
www.elektronikjournal.com

Kondensatoren
Variantenreich
Kemet bietet eine neue Reihe von
Tantal-MnO 2 -Kondensatoren an,
die in Stapel-Technik (stacked)
aufgebaut sind. Die TSM-Serie
eignet sich für Anwendungen, die
eine hohe Kapazität bei geringem
Leiterplatten-Platzangebot. Daten:
Kapazitätswerte von 9,4 bis
Hochstrom-Leiterplattenklemme
Mit Betätigungshebeln
Wago erweitert die Familie der
Hochstromklemmenleisten mit
Betätigungshebeln um die Serie
2706 mit einem Nennquerschnitt
von 6 mm². Die Betätigungshebel
in Cage-Clamp-Technik ermöglichen
das werkzeuglose Öffnen
und Schließen der Klemmstellen
per Hand. Die Möglichkeit, meh-
Kühlung massgeschneidert
Bild: Kemet
Bild: Wago
1980 µF, Nennspannung von 6 bis
50 VDC, Weibull-Ausfallwahrscheinlichkeits-Optionen
A (null
Ausfälle), B und C, überspannungsfeste
Optionen möglich, Betriebstemperaturbereich
von -55
bis +125 °C. Die SMD-Kondensatoren
sind als COTS-Variante und
als Option mit hoher Zuverlässigkeit
erhältlich. Sie stehen mit vielen
Kapazitätswerten und Leistungsmerkmalen
zur Verfügung:
2, 3, 4 oder 6 diskrete Komponenten
im Standard-EIA-Format können
gestapelt werden.
infoDIREKT 233ejl0211
rere Klemmstellen gleichzeitig
geöffnet zu halten, erleichtert den
Anschluss mehradriger Leitungen.
Zwei Lötstifte pro Pol sorgen
für hohe mechanische Stabilität
der Klemmenleiste auf der Platine.
Die Klemmenleisten sind von
2- bis 12-polig in verschiedenen
Farben verfügbar, auch farbig gemischt
für eine eindeutige Zuordnung
der einzelnen Pole. Ab Rastermaß
12,5 mm eignen sie sich
für 600 V UL. Außerdem sind im
Rastermaß 7,5 und 10 mm auch
Leisten mit Brückungsschächten
zur Potenzialverteilung lieferbar.
infoDIREKT 246ejl0211
��Extrudierte, Druckguss- und Flüssigkeitskühlkörper
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Leistungskondensatoren
Weniger ist mehr
Im Zuge seiner Energie-Initiative
entwickelt Vishay immer leistungseffizientere
Bauelemente:
Zu den Spezialentwicklungen
zählen hier die Leistungskondensatoren
DCMKP und EMKP. Durch
ihren inneren Aufbau ermöglichen
sie eine deutlich höhere Strom-
Blindleistungsregler
Für dreiphasige Industrienetze
TDK-EPC bringt zur Standardversion
des Epcos-Reglers BR6000
die Ausführung BR6000-HD (Heavy
Duty): Diese Variante eignet
sich besonders für Applikationen
mit hohen Anforderungen an die
EMV. Außerdem kann der Regler
im erweiterten Temperaturbereich
von -40 bis +80 °C eingesetzt
Bild: TDK-EPC Bild: Vishays
Passive und E-Mechanik
und Spannungsbelastung gegenüber
den Standardkondensatoren.
Bei einer Lebensdauer von mehr
als 20 Jahren liegt ihre Ausfallrate
unter 50 FIT. Sie sind entsprechend
der Normen IEC 61071 und
IEC610881 entwickelt und besitzen
eine hohe Leistungsdichte
und hohe Impulsstromfestigkeit.
Zur internen mechanischen Festigkeit
und Dämpfung von großen
Stößen und Vibrationen sind
DCMKP- und EMKP-Leistungskondensatoren
mit einem speziellen
elastischen Gießharz befüllt.
infoDIREKT 245ejl0211
werden. Das Display nutzt OLED-
Technologie, besitzt einen Kontrast
von 2000:1, dargestellt werden
zwei mal 16 weiße Zeichen
auf schwarzem Hintergrund. Die
weiteren Eigenschaften entsprechen
denen der BR6000-Reihe.
Dazu zählen unter anderem ein
Klartextmenü (CZ/D/E/ES/F/NL/
PL/PT/RU/TR), eine Multifunktionsanzeige
und die Speicherung
diverser Netz- und Systemparameter.
Hinzu kommen intelligentes
Regelverhalten und verschiedene
Regelalgorithmen sowie eine
Temperaturüberwachung.
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Antriebstechnik
70
Bild: arsdigital.de - Fotolia
elektronikJOURNAL 02 / 2011
Eine Frage des Profi ls
Motorstart: Auf den Anlaufstrom und das Lastprofi l
kommt es an
Oft ein Thema in Ventilator- oder Pumpen-Anwendungen ist der Start von Drehstrom -
Asynchronmotoren: Abhängig von der Leistungsklasse und der Aufgabe, die die Motoren
erfüllen, sind neben dem für das Netz problematischen Direktstart und der Stern-
Dreieck-Schaltung inzwischen Frequenzumrichter oder Softstarter etabliert. Um deren
Betrieb zu optimieren, kann sich zudem ein Bypass empfehlen, der im Dauerbetrieb die
„Starthilfen“ umgeht: Das steigert die Effi zienz der Gesamtlösung, weil der Antrieb dann
bei Volllast im optimalen Arbeitsbereich läuft. Autor: Michael Burghardt
Für eine Anwendung, bei der Ventilatoren
im Parallelbetrieb von einem Generator gespeist
werden müssen, stellt sich die Frage,
ob und wie die bisher verwendete Kombination
aus Antrieb und veraltetem So� starter nicht
besser entweder durch Frequenzumrichter angesteuert
oder zumindestens mit neuen So� startern
ausgerüstet wird. Ein Faktor in diesem
Szenario: Um die Anlaufströme zu pu� ern,
ist der Generator auf die doppelte Leistung
der Antriebe ausgelegt, was gerade
so ausreicht. Dafür ist er aber
nach Hochlauf nur zu 50 % ausgelastet,
sprich für den Dauerbetrieb
überdimensioniert.
Der Beitrag zeigt mögliche Umsetzungsalternativen
für den Start der
betrachteten Drehstromasynchronmotoren.
Abhängig von der Antriebsaufgabe,
die die Motoren erfüllen sollen, haben sich neben
den beiden klassischen Verfahren Stern-Dreieck-
Schaltung und Motorstart zwei weitere Lösungen
für einen Anlauf etabliert: Dabei handelt es sich
um den Anlauf mittels So� starter oder mittels Frequenzumrichter,
um den Motor hochzufahren.
Der Vorteil der letzten beiden Verfahren, So� starter
und Frequenzumrichter, liegt in der Begrenzung
des Anlaufstroms, der Vermeidung von harten
Momentenstößen und der daraus resultierenden
Schonung von Hardware sowie Anwendung
und damit einem geringeren Verschleiß.
Die Applikation
In der vorliegenden Anwendung sollen zwei 30kW-Motoren,
die Lü� ungsräder antreiben, möglichst
zeitgleich anlaufen. Bei dieser eigentlich gängigen
Aufgabe stellt das speisende Netz eine Besonderheit
dar: Es handelt sich um einen auf die
Anlauf-Spitzenlast ausgelegten Generator, der die
Motoren mit Energie versorgt. Dies erfordert die
Berücksichtigung einiger zusätzlicher Faktoren für
die Einhaltung der vom Anwender vorgegebenen
Rahmenbedingungen. Zudem hat auch das typische
Lastpro� l der Lü� er innerhalb der Anwendung
durchaus Ein� uss auf die Auswahl der passenden
Anlaufmethode.
Motorstart direkt am Netz
Die einfachste Variante, um Motoren am Netz zu
starten, ist der Anlauf direkt am Netz. Hier wirkt
sich nachteilig aus, dass der Einschaltvorgang die
Wicklungen der Motoren thermisch stark belastet
und kurzzeitig große elektrodynamische Krä� e
wirken. Bei einem direkten Start kann der Anlaufstrom
daher sehr schnell das Achtfache und mehr
des Motornennstroms betragen. Aus diesem Grund
lassen die meisten Energieversorgungsunternehmen
dieses Verfahren nur bis etwa 4 kW Motorleistung
zu. Für einen Anlauf eines 30-kW-Motors
am Generator scheidet der direkte Anlauf deshalb
von Vornherein aus.
Auf einen Blick
Damit’s nicht knallt
Bei Motoranwendungen mit ungeregelten Antrieben
gibt es letztlich praktisch immer Optimierungsmöglichkeiten:
Ob es um die Verbesserung der Stabilität
der Anwendung geht, Vermeidung von Netzrückwirkungen
oder um den wichtigen Aspekt des geringeren
Energieverbrauches. Der Einsatz von Softstartern
oder Frequenzumrichtern ist dabei je nach den
genauen Randbedingungen eine sinnvolle, wirtschaftliche
Lösung, eventuell mit einem Bypass,
wenn der Antrieb hochgelaufen ist.
infoDIREKT www.all-electronics.de 210ejl0211
www.elektronikjournal.com

Stern-Dreieck-Schaltung
Während des Stern-Dreieck-Anlaufs schaltet eine entsprechende
Beschaltung der Motoren die Wicklungen von Stern- auf Dreieckschaltung
um. In Sternschaltung reduziert sich die Netzspannung
an jeder Motorwicklung um den Faktor 1/√3, was den Anlaufstrom
auf etwa ein Drittel der Werte in Dreieckschaltung reduziert. Allerdings
belastet die Umschaltung das System mechanisch, da dabei
ein Momentensprung auftritt. Zudem beträgt der Anlaufstrom typischerweise
immer noch das zwei- bis dreifache des Nennstroms,
was bei der Auslegung des Generators zu hoch ist. So scheidet auch
diese Lösung aus. Es bleiben zwei Lösungen übrig: Softstarter und
Frequenzumrichter.
Anlauf mit Softstarter
Eine weitere, weit verbreitete Methode der Anlaufsteuerung eines
Motors sind Softstarter, auch Sanftanlasser genannt. Sie sind heute
in verschiedenen Ausführungen erhältlich und unterscheiden sich
dabei unter anderem in der Anzahl der gesteuerten Phasen. Ein
Softstarter fährt den Motor langsam hoch. Dazu erhöht er mittels
Phasenanschnittsteuerung die Motorspannung innerhalb einer
einstellbaren Anlaufzeit von einer Startspannung bis zur Motornennspannung.
Ebenso kann ein Softstarter auch den Auslauf in
geringem Maß beeinflussen.
Die Anlaufzeit ergibt sich aus den Vorgaben für Startspannung
und Rampenzeit, wobei die Startspannung auch das Losbrechmoment
bestimmt. Die Rampenzeit stellt dabei nicht die tatsächliche
Hochlaufzeit dar, sondern beeinflusst in erster Linie die Spannungsänderung.
Der Strom steigt während der Beschleunigung bis
zu einem Maximum an und fällt beim Erreichen der Nenndrehzahl
auf den Nennstrom zurück. Nachteilig ist, dass der maximale
Strom abhängig von Motor und Last ist, und nur bei genauer
Kenntnis dieser Größen im Vorhinein zu bestimmen ist. Für die
im Beispiel betrachteten Ventilatoren kann der am Softstarter benötigte
Anlaufstrom als Richtwert mit dem 3,5- bis 4,5-fachen des
Nennstroms angenommen werden.
Die Anwendung im Blick
Fordert der Anwender – wie hier im Beispiel – eine Begrenzung
des Anlaufstroms, muss ein Softstarter mit Strombegrenzung zum
Einsatz kommen. Der Anwender stellt dann einen maximal zulässigen
Strom ein. Der Softstarter regelt die Spannung nach, bis dieser
Strom erreicht ist – gleichgültig, ob der Motor bereits hochgelaufen
ist oder nicht. Sinkt der Motorstrom, passt der Softstarter
die Spannung an und erhöht sie, bis entweder der Strom zu hoch
wird oder er die maximale Spannung erreicht. Verfügt der Softstarter
nicht über eine integrierte Strommessung kann der Anwender
den Verlauf der Anlaufspannung vorgeben und somit die Stromaufnahme
beeinflussen.
Die Lösung zeichnet sich durch einen günstigen Preis pro Kilowatt
aus und wird am öffentlichen Netz vom Energieversorgungsunternehmen
häufig auch bei Motoren oberhalb einer Leistung
von 11 kW zugelassen.
Als Nachteil kann sich in manchen Anlagen die begrenzte Anzahl
von Starts pro Stunde erweisen, die aufgrund einer möglichen
Überlastung der Thyristoren gegeben ist. Dies muss bei der Auslegung
des Gerätes deshalb beachtet werden. Zudem besteht die
Gefahr, dass der Motor nicht anläuft, wenn das maximal mögliche
Losbrechmoment aufgrund der Startspannung zu gering ist, um
die Last anzutreiben. Dies führt dann zu einer Überlastung und
ohne einen entsprechenden Überlastschutz bis zu einer möglichen
Zerstörung des Systems.
Antriebstechnik
Anlauf am Frequenzumrichter
Der Frequenzumrichter schließlich erlaubt ein kontrolliertes
Hochfahren des Antriebs mit Nennstrom. Dabei regelt er Spannung
und Frequenz so, dass trotz Nennstroms der Motor bis maximal
zweifachem Moment anlaufen kann. Er stellt eigentlich die
beste und effektivste Lösung dar, denn er garantiert einen kontinuierlichen
und stufenlosen Anlauf. Die einstellbare Strombegrenzung
vermeidet hohe Stromspitzen im Netz und stoßartige Belastungen
in der Maschine oder Anlage. Außerdem gewährleistet er
eine stufenlose Drehzahlregelung des Motors in der Anlage und
die Einstellung des optimalen Arbeitspunktes – im Gegensatz zum
direkt angeschlossenen Motor, der dies nur im stationären Arbeitspunkt
oder Nennbetrieb, erreicht. Ein konstantes Verhältnis von
Spannung zu Frequenz, also der U/F-Kennlinie, sorgt für unabhängige
Arbeitspunkte mit Nennmoment.
Trotz eines höheren Einstiegspreises und leicht erhöhtem Installationsaufwand,
wie gegebenenfalls EMV-Maßnahmen oder Funkentstörfilter,
erweist er sich im Betrieb, gerade bei Lüfter- und
Pumpenanwendungen, als effektives Spartool. Bessere Energieeffizienz,
Prozessoptimierung sowie eine höhere Lebensdauer der Anlage
sind dabei nur einige der technischen und wirtschaftlichen
Faktoren. Außerdem garantiert er eine höhere Drehzahlkonstanz
bei Lastschwankungen und die Möglichkeit des Drehrichtungswechsels
und einen integrierten Motorschutz.
Systemvergleich
Generell ist der Frequenzumrichter bei wechselnden Lasten und
vorgegebener Kunze_Thermosilikon_102x146mm_Layout Strombegrenzung die beste Wahl 1 13.04.11 für das System. 12:26 Seite Al- 1
lerdings erzeugt er im Betrieb dauerhaft Netzrückwirkungen, was
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Anwendungen.
Bild links: Sorgt für schonenden
Start und Stopp von Motoren:
Softstarter wie der VLT MCD 500.
Seine integrierten Stromwandler
erfassen den Motorstrom und
liefern so Daten für Last-angepasste
Start-/Stopp-Rampen in
Verbindung mit der Adaptive
Acceleration Control (AAC).
bei einem Anschluss anderer Geräte an den gleichen Versorgungskreis
aus dem Generator durchaus eine Rolle spielen kann. Dies
auch deshalb, da in einem generatorgespeisten System die Impedanz
generell höher ist, was zu stärkeren Netzrückwirkungen führt.
Letztlich kann dies andere, in diesem Kreis angeschlossene Geräte,
stark beeinträchtigen.
Bei einem Softstarter sind die Netzrückwirkungen nur beim
Hochlauf aktiv vorhanden. Allerdings gibt es für sie keine vorgeschriebenen
Grenzwerte. Sie hängen unter anderem von der Ausführung
des Gerätes, ob mit 1, 2 oder 3 Thyristoren, ab.
Vor allem, wenn ein angeschlossener Motor permanent unter
Volllast fährt, hat der Softstarter Vorteile. Wird er nach dem Hochfahren
mittels einer Bypass-Schaltung überbrückt, lassen sich die
Verluste reduzieren. Denn die Schützkontakte haben einen wesentlich
kleineren elektrischen Widerstand im Vergleich zu den
gesteuerten Motoren. Und auch der Frequenzumrichter produziert
in diesem Vergleich, falls er nicht auch überbrückt wird, die größeren
Verluste und kann seinen großen Vorteil, die Energieeffizienz
des Systems durch eine Drehzahlregelung nicht ausspielen.
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Generell muss der Anwender zwei Fragen klären: Kann der Generator
die benötigte Leistung für einen Anlauf liefern, steht also
der maximal benötigte Motorstrom für den Anlauf zur Verfügung?
Ist dieser Strom auch ausreichend für den Anlauf unter Last? Davon
ausgehend kann der Anwender mit Hilfe der besprochenen
Kriterien die für ihn optimale Lösung umsetzen.
Fazit
Eine abschließende Bewertung der Anwendung ist nicht einfach.
Bei einem Arbeitsprofil mit viel Teillastbetrieb hat der Frequenzumrichter,
insbesondere bei Lüftern aufgrund des quadratischen
Kennlinienverlaufs, die Nase vorne und ist erste Wahl für das System.
Ist der Generator für den höheren Anlaufstrom des Softstarters
ausgelegt, dann ist er für Anwendungen, die vor allem unter
Volllast fahren, eine gute Alternative. (uns) n
Der Autor: Michael Burghardt, Product Manager VLT HVAC Drives
bei Danfoss in Offenbach.
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Multivitamin für die Anwendung
ACS880-Familie bis zum Leistungsbereich bis 250 kW erweitert.
ABB stellt eine Reihe neuer Geräte der
ACS880-Serie vor: Die Multidrive-Frequenzumrichter-Schrankgeräte
der Serie
ACS880 für Mehrmotorenantriebe werden
in Industrien wie Papier und Zellstoff, Metall,
Bergbau, Schiffbau/Offshore, Öl und
Gas sowie Materialtransport eingesetzt. Sie
sparen Energie bei reduziertem Platzbedarf
dank der Konstruktion mit einer Einspeiseeinheit,
einer DC-Sammelschiene und daran
angeschlossenen Wechselrichtermodulen.
Die Multidrive-Frequenzumrichter
werden zunächst mit einer Wechselrichterleistung
bis 250 kW lieferbar sein.
Die Frequenzumrichter-Schrankgeräte
für Einzelantriebe, ABB Industrial Drive
ACS880-07 sind modular aufgebaut und
werden kundenspezifisch gefertigt. Ihre
kompakten Maße ermöglichen den Einsatz
in Bereichen wie Zement, Wasser und Abwasser,
Bergbau, Chemie sowie Kraftwerke.
Der ACS880-07 wird zunächst im Leistungsbereich
von 55 bis 250 kW und Spannungen
von 380 bis 500 V lieferbar sein.
Die ACS880-Frequenzumrichter-Einbaumodule
wurden für den Maschinenbau
und für Systemintegratoren entwickelt und
sind für den Einbau in Schaltschränke optimiert.
Sie sind mit allem ausgestattet, was
für eine komplette Konfiguration aus Single-
oder Multidrive-Frequenzumrichtern
einschließlich Gleichrichtern, Wechselrichtern,
Bremsoptionen, EMV-Filter, verschiedenen
E/A- und Kommunikationsoptionen
erforderlich ist. Zudem gibt es eine
große Auswahl an elektrischem und mechanischem
Zubehör, um den Einbau in
Schaltschränke einfach zu ermöglichen.
Die ACS880-Einbaumodule
werden zunächst mit
einer Wechselrichterleistung
bis 250 kW lieferbar
sein. Die Industrial Drive
ACS880-01 für die Wandmontage
im Leistungsbereich
von 0,55 bis 250 kW
Die ACS880-Familie wird
größer: Es kommen Multidrive-
sowie Single-Drive-
Frequenzumrichter hinzu.
Die Schrankgeräte und
Einbaumodule bieten vorerst
Leistungen bis 250 kW.
Antriebstechnik
und einem Spannungsbereich von 380 bis
500 V sind bereits lieferbar. Im Lauf des
Jahres 2011 folgt die Erweiterung zu einer
höheren Leistung und Spannung und mit
der Schutzart IP55 für staubbelastete und
nasse Umgebungen. Neben der Zertifizierung
für den Marine- und Offshore-Bereich
werden ATEX-zertifizierte Motor/
Frequenzumrichter-Pakete in das Angebot
aufgenommen.
Herzstück der Baureihe ACS880 ist die
direkte Drehmomentregelung (DTC) in
Verbindung mit einer Technologie für die
Regelung von Motoren mit und ohne Geber.
Die Antriebe unterstützen die Codesys-Programmierumgebung
gemäß IEC
61131-3, die gleiche Programmierumgebung,
die auch bei der SPS AC500 verwendet
wird. Dies vereinfacht die Integration
von Antrieb und SPS. Die Antriebe bauen
auf einer gemeinsamen Plattform auf, sie
können nahezu jeden Asynchron- und
Permanentmagnetmotor auch geberlos regeln
und mit allen wichtigen Feldbusprotokollen
und Fernüberwachungssystemen
kommunizieren. Die integrierbaren Sicherheitsfunktionen
ermöglichen die Erfüllung
der Maschinenrichtlinie ohne externe Sicherheitssteuerung.
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Bilder: Groschopp
Antriebstechnik
Alles Auslegungssache
Energiesparpotenzial mit Servotechnik
Arbeiten Motoren und Antriebssteuerungs-Komponenten
heute bei Nennlast
meist mit Wirkungsgraden nahe 100 %,
lohnt oft der Blick auf sekundäre Bereiche
außerhalb der Antriebe: „Viele Einzelmaßnahmen
zusammen können eine größere
Summe ergeben. Bei Verwendung der richtigen
Komponenten sind bereits mit wenig
Aufwand rund um den Antrieb große
Energie-Einsparungen zu erzielen“, bemerkt
Alois Holzleitner, Business Manager
Motion bei B&R in Eggelsberg. Eingesetzt
wird dazu das Tool Servosoft von Control-
Eng zur gezielten Antriebsauslegung: Damit
lassen sich die zu bewegenden Massen
und die dafür nötigen Antriebe aufeinander
abstimmen um den Energieaufwand zu
optimieren.
Bei komplexen Maschinen mit hintereinander
ablaufenden Bewegungsvorgängen
wird die kinetische Energie noch oft in
Bremswiderständen als Wärme freigesetzt.
Mittels Zwischenkreiskopplung über den
DC-Bus der Acopos-Multi-Servoantriebe
können bis zu 30 % der Bewegungsenergie
eingespart werden: Die wird über Pufferkondensatoren
zwischengespeichert, um
Beschleunigungsvorgänge an anderer Stelle
zu versorgen. Damit wird Energie effizienter
genutzt, der Schaltschrank bleibt
kühler dank geringerer Abwärme.
Eine weitere Steigerung der Energieeffizienz
kann in Fällen geringer Gleichzeitigkeit
von Brems- und Beschleunigungsvorgängen
im Achsverbund durch die aktive
Energierückspeisung ins Stromnetz erreicht
werden. Während die gesamte Bremsenergie
einer sinnvollen Verwendung zu-
Weniger ist mehr
Energieeffizienzmaßnahmen als Wettbewerbsfaktor
Verlängertes Eisen und vor allem ein Kupfer- statt
Alukäfig verbessern den Wirkungsgrad.
Groschopp hat die Energieeffizienz seiner Asynchronmotoren optimiert. Bei den Baureihen IGL
und IGK wurden Wirkungsgrad und Abgabeleistung gesteigert
Bilder: B&R
Aktive Leistungsversorgung
sorgt
für geringere
Kosten von
Infrastruktur bis
Energiekosten.
Groschopp hat in die Optimierung seiner
Motoren hinsichtlich Energieeffizienz investiert:
Auch für Asynchronmotoren mit
einer Leistung unter 0,75 kW, die nicht unter
die ab 2012 gültige EuP-Richtlinie fallen,
lohnt sich die Steigerung der Energie-
effizienz – niedrigere Kosten und längere
Laufzeiten aufgrund geringerer Wärmeabgabe
sind der Lohn dafür.
Verbessert wurden die Induktions-Gehäusemotoren
der Baureihe IGK, deren
Bemessungsleistung im Bereich von 9 bis
370 W liegt (zwei- und vierpolig). Grundsätzlich
wirkungsvolle Maßnahmen, um
den Wirkungsgrad zu verbessern, sind sowohl
die Verlängerung des aktiven Blechpakets
als auch der Austausch des Aluminiumkäfigs
gegen einen Kupferkäfig. So
kann ein optimaler Wirkungsgrad erreicht
werden, der mitunter sogar die Wirkungsgradklasse
IE3 übertrifft. So hat beispielsweise
der I80-80 2p ursprünglich einen
Wirkungsgrad von 71,52 % sowie eine Abgabeleistung
von 238,56 W. Bei einer Eisenverlängerung
um 20 mm kombiniert
mit einem Kupferkäfig steigt der Wirkungs-
grad auf 75,71 % und die Abgabeleistung
geführt wird, bleibt
nur Reibung als
Verlust.
Mit dem modernenAntriebssteuerungssystemAcopos-Multi
sind kos-
Alois Holzleitner von
B&R in Eggelsberg,
Österreich.
teneffiziente Rückspeisungen von bis zu
80 % der bisher in Widerständen verheizten
Leistung möglich. Unterstützt werden
die Energiesparmaßnahmen durch Cold-
Plate-Schaltschrankmontage. Diese bietet
die Option, die in den Servoverstärkern
selbst anfallende Verlustwärme über einen
Flüssigkeitskreislauf und Wärmetauscher
dorthin zu befördern, wo sie benötigt wird,
womit ein Kühlgerät für den Schaltschrank
entfällt, was Energie einspart. Ein weiterer
energietechnischer Effekt des Einsatzes der
Acopos-Multi-Familie ist die Korrektur des
Leistungsfaktors auf einen Total Power
Factor (TPF) von 1,0. Die geringere Effektivstromaufnahme
der Geräte resultiert zudem
in weniger Verlusten in den Zuleitungen
und Transformatoren. (uns) n
infoDIREKT 220ejl0211
auf 351,16 W. Das entspricht einer Steigerung
des ursprünglichen Wirkungsgrades
um 4,19 % sowie einer Steigerung der Abgabeleistung
um 47,2 %. Eine weitere Möglichkeit
der Optimierung ist eine Ausrichtung
an der IEC-Norm. Diese bestimmt für
die verschiedenen Baugrößen Eisenlänge,
Abgabeleistung und Blechdurchmesser.
Verglichen wurde der maximale Wirkungsgrad
der Asynchronmotoren in ursprünglicher
Bauweise mit den maximalen
Wirkungsgraden der Asynchronmotoren
mit Eisenlängen nach IEC-Norm sowie mit
Kupfer- oder Aluminiumkäfig. Aus dieser
Versuchsanordnung ergab sich, dass beispielsweise
der I90-80 4p der vorgestellten
Baureihe bei etwa 180 W Nennleistung einen
maximalen Wirkungsgrad von knapp
70 % erreicht. (uns) n
infoDIREKT 221ejl0211
74 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com

Bilder: Vacon
Intelligent kombiniert
Frequenzumrichter plus Bypass statt Softstarter
Für eine Anwendung, bei der zwei Ventilatoren
im Parallelbetrieb im Bereich über
20 kW durch Generator gespeist werden,
stellt sich die Frage, ob die bisherige Kombination
Antrieb mit veraltetem Softstarter
nicht besser entweder durch Frequenzumrichter
angesteuert oder schlicht mit neuen
Softstartern ausgerüstet wird. Ein Faktor:
Um die Anlaufströme zu puffern, ist der
Generator auf die doppelte Leistung der
Antriebe ausgelegt, was gerade so ausreicht.
Dafür ist er aber nach Hochlauf nur zur
Hälfte ausgelastet, sprich für den Dauerbetrieb
überdimensioniert. Der Beitrag
zeigt mögliche Umsetzungsalternativen für
eine solche Anwendung.
„Da Softstarter die Spannung des Netzes
bei Beibehaltung der Netzfrequenz beim
Startvorgang verringern, wird das mögliche
Motor-Drehmoment für den Anlauf
deutlich reduziert“, erklärt Mathias Mießner,
Vertriebsassistent bei Vacon in Essen.
„Daher ist der Einsatz eines Softstarters eigentlich
nur für Applikationen sinnvoll, wo
die anzutreibende Last einen Momentenverlauf
vom Typ ,quadratisches Gegenmoment‘
aufweist.“ Das trifft für Ventilatoren
zu, also wäre der Einsatz von Softstartern
hier prinzipiell schon sinnvoll. Erfahrungsgemäß
muss jedoch die Stromgrenze bei
Softstartern mindestens auf den drei fachen
Motornennstrom eingestellt werden, damit
der Motor in akzeptabel kurzer Zeit und
ohne Auslösung des thermischen Motorschutzes
auf Drehzahl kommt.
Der Frequenzumrichter hat hier deutliche
Vorteile, da er mit einer Strombegrenzung
auf etwa 110 % des Motornennstro-
mes ein vergleichbar gutes oder sogar besseres
Hochlaufverhalten hat. Die Belastung
des Stromaggregates durch den Umrichter
durch den Anlaufstrom ist also deutlich geringer
beim FU-Einsatz. Allerdings belastet
der Umrichter, bauartbedingt, das Aggregat
durch seine nichtsinusförmigen
Ströme stärker als der Softstarter, was in
Summe aber immer noch schonender für
den Generator sein dürfte.
Während das Aggregat aktuell auf etwa
doppelte Leistung ausgelegt ist, müsste es
beim FU-Einsatz nur noch rund 20 % über
der Nennleistung liegen. Da der FU aber
nach dem Hochlauf deutlich größere Verluste
als der Softstarter hat (etwa 3 %), die
sich je nach Zeitanteilen im Dauerbetrieb
schon kostenmäßig auswirken können,
und da er auch von EMV-Gesichtspunkten
her stärker stört als eine Softstarter-Lösung,
empfiehlt es sich, Frequenzumrichter nur
als Hochlaufhilfe einzusetzen. Der Umrichter
wird nach dem Hochlauf über eine
Bypassschaltung überbrückt. „Für den
grundsätzlichen Aufbau unseres Lösungsvorschlages
gibt es einen Steuerungsplan“,
kommentiert Mathias Mießner. „Wir würden
die Lösung in Kombination mit unserer
für diesen Einsatz geeigneten Umrichterfamilie
Vacon 100 HVAC angehen.“
Vacon hat genau für solche Applikationen,
wo der Motor ganz ohne Stromspitzen
beim Umschalten vom FU zum Netz und
wieder zurück übergeben werden muss, eine
eigene Applikation für die Highend-
Umrichter-Baureihe NXP entwickelt, wo
durch Messung der Netzspannung der
Umrichter den Netz-Phasenwinkel kennt
und die Steuerung der Umschaltschütze in
geeigneter Weise vornimmt. Das dürfte bei
diesem Leistungsbereich und der genannten
Anwendung aus Kostengründen allerdings
nicht in Frage kommen, die NXP-FU
sind eher für größere Antriebslösungen eine
dann wirtschaftliche Option. (uns) n
infoDIREKT
www.all-electronics.de 250ejl0211
Vacon 100 HVAC: Mit 15 Typen in vier
Baugrößen wird der Nennstrombereich
von 3 bis 105 A abgedeckt. Die Umrichter
sind in den Schutzarten IP 21 und 54
lieferbar und für Drehstrom-Anschlussspannungen
von 380 bis 480 V ausgelegt.
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02/2011 75

Antriebstechnik
Where do we go from here?
Elektromobilität im Fokus der Leistungselektronik
Bis 2020 sollen etwa eine Million Elektroautos über Deutschlands Straßen rollen – so
ist es zumindest von der Bundesregierung angedacht. Ein frommer Wunsch? In neun
Jahren muss auf jeden Fall noch einiges passieren, damit der Fahrer nicht nur Spaß am
Fahren hat, sondern auch die Infrastruktur stimmt und vor allem die Sicherheit nicht zu
kurz kommt. Autorin: Stefanie Eckardt
Es brummt auf Deutschlands Straßen. Und
das im wahrsten Sinne des Wortes: Millionen
Autos, wohin man schaut, die nicht
nur Lärm verursachen, sondern auch für
hohe CO 2 -Emissionen sorgen und wahre Energiefresser
sind. Da wünscht man sich das E-Auto
regelrecht herbei, auch wenn man dann lieber
zweimal nach rechts und links schauen sollte, um
mangelnden Geräuschs nicht unter die Räder zu
geraten. Elektromobilität würde dem Standort
Deutschland viele Vorteile bringen: Mit ihr lassen
sich Klimaschutz, Ressourcenschonung und Industriepolitik
effektvoll miteinander verbinden. So
bietet sich die Möglichkeit, durch E-Mobility die
Einspeisung von Strom aus regenerativen Energiequellen,
allen voran der Windenergie, mithilfe intelligenter
Netze und Stromzähler, wie Smart-Grids
Ich würde mir wün -
schen, dass Deutsch-
land und Europa
auch in Zukunft Automobilgeschichte
schreiben, aber
das wird nicht einfach:
Leo Lorenz, Infineon, Neubiberg.
oder Smart-Metering, mit den mobilen Speichern
der Elektroautos zu puffern. Ein Blick auf die Ausgangslage:
Gemäß der VDE-Studie zur Elektromobilität
würden sich rund 64 Prozent der Deutschen
ein Elektroauto kaufen. Zumindest von Verbraucherseite
geht die Richtung pro Elektroauto.
Aus industrieller Sichtweise ist Deutschland zurückgefallen.
Das zeigt der Electric-Vehicle-Index.
Hier rangiert das Land, das sich bis 2020 zu einem
Leitmarkt für Elektromobilität entwickeln will, hinter
den USA, Frankreich und Japan knapp vor China
auf Platz vier. „Ich würde mir wünschen, dass
Deutschland auch in Zukunft Automobilgeschichte
schreibt“, bringt es dann Prof. Leo Lorenz von Infineon
auf den Punkt und betont: „Aber das wird
nicht einfach.“ Wie es laufen kann, zeigt Renault.
Der französische Automobilhersteller wird aller
Voraussicht nach in diesem Jahr mit der Massenproduktion
von Elektrofahrzeugen beginnen. Was
aber muss passieren? Die Zukunft der Elektromobilität
bestimmen neben den Herstellern und
Dienstleistern aus dem Elektro-, Elektronik- und
IT-Bereich vor allem die Automobilbranche sowie
die Energieversorger und Netzbetreiber. Hier müssen
die Elektronik- und Elektrohersteller mit der
Automobilindustrie verstärkt kommunizieren. Zudem
sollte vermehrt in Forschung und Entwicklung
investiert werden, zum Beispiel bei der Batterietechnologie.
Last but not least ist ein schneller
Auf- und Ausbau der Infrastruktur vonnöten.
Trends im Automotive-Bereich
Mit den Themen Automobilelektronik und Elektromobilität
beschäftigte sich der diesjährige Fachkongress
Micro-Car in Leipzig. Er zeigte vier
Trends, die sich für das Kraftfahrzeug abzeichnen:
■ Verbrauch
Sicherheit
■ Komfort
■ Fahrerassistenz
■Folglich müssen die Ziele heißen: Energieverbrauch
reduzieren, CO 2 -Emissionen minimieren,
auf Energy-Harvesting setzen, das Wärmemanagement
in Hinsicht auf eine bessere Energieeffizienz
verbessern und der Sicherheit zuliebe die Pre-
Crash-Sensorik ausbauen.
Das „funktionierende“ Elektroauto einzuführen,
kann letztendlich erst einmal nur eine langfristige
Lösung sein. Sollte der ehrgeizige Plan der Bundesregierung
mit einer Million Elektroautos auf
Deutschlands Straßen umgesetzt werden können,
sind diese als Ergänzung zum regulären Kraftfahrzeug
zu sehen und nicht als Ersatz. „Die CO 2 -
Emissionen werden auch mit dem Elektroauto 90
Prozent betragen“, verdeutlicht Wolfgang Wondrak
von Daimler in Böblingen die Problematik.
Kein Selbstläufer für gute CO 2 -Werte
Öffnet man die Motorhaube eines Elektrofahrzeuges,
wie die abgebildete A-Klasse E-Cell, besteht
der Aufbau, vereinfacht gesagt, aus einer Lithium-
Ionen-Batterie, einem Ladegerät, einem Inverter
76 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com

Auf einen Blick
Antriebstechnik
E – wie einfach?
E-Mobility ist die Zukunft, das Elektroauto wird kommen – ganz klar.
Stellt sich nur die Frage wann. Denn bevor es soweit ist, müssen etliche
Probleme gelöst werden, allen voran die Infrastruktur und die
Batterietechnologie. Insbesondere Deutschland muss hier aufpassen,
nicht den Anschluss zu verlieren. Auch der Fachkräftemangel könnte
sich als „Softfaktor“ hart in die Waagschale werfen. Und last but not
least gibt es im Hinblick auf die Leistungselektronik erhebliches Verbesserungspotenzial.
Daimler bringt es auf den Punkt: „Das Zeitalter
der Elektromobilität wird nicht auf Knopfdruck beginnen.“
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02 / 2011 77
Bild: iNNOCENt - Fotolia

Antriebstechnik
Vorreiter: Der Elektromotor der A-Klasse E-Cell entwickelt eine Spitzenleistung
von 70 Kilowatt, eine Dauerleistung von 50 Kilowatt sowie ein maxi-
males Drehmoment von 290 Newtonmetern, das bereits von der ersten
Umdrehung an zur Verfügung steht.
und dem Elektromotor. Problem: der mechanische Antrieb fehlt
bei der elektrischen Fahrt und wirkt sich negativ aus. So sorgt zum
Beispiel der elektrische Antrieb der Nebenaggregate für einen
schlechten Gesamtwirkungsgrad und hohe Kosten. Auch fehlt das
eigentlich „negative“ Nebenprodukt des Verbrennungsmotors,
nämlich die Wärme, was im Winter ein ernsthaftes Problem darstellt.
Es muss elektrisch geheizt werden, das heißt, das Elektroauto
muss die Wärme aus der Batterie erzeugen. Problem: Die Energie
der Batterie ist begrenzt – diese wäre aber für Effizienz oder rekuperatives
Bremsen notwendig. Ergo: Das Fahrzeug hat weniger Kapazität
und damit eine kleinere Reichweite. Und dabei sind Front-
und Heckscheibenheizung noch nicht mit eingerechnet.
Weiterer Gesichtspunkt: Die Umweltfreundlichkeit. Das Elektro
auto gilt als umweltfreundlich, weil es emissionsfrei ist. Allerdings
ist das eine Milchmädchenrechnung. Schließlich kommt der
Strom nicht einfach nur aus der Steckdose, sondern muss auch irgendwie
erzeugt werden. Solange der Strom dabei aus regenerativen
Quellen kommt, ist die Welt noch grün. Wird er aber im Kohlekraftwerk
erzeugt, ist die Umweltfreundlichkeit gleich Null. Dem
Klima ist es schließlich egal, wo die Kohlenstoffdioxid-Emissionen
entstehen. So ist es nicht unmöglich, dass ein Elektroauto mehr
CO 2 -Emissionen verursacht als ein Auto mit Verbrennungsmotor.
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Bild: Daimler
Struktur der Stromversorgung eines Elektroautos: Die DC/DC-Wandler
passen die Spannung der Energiespeicher an die Spannung des HV-Busses
an. Die Wechselrichter erzeugen aus der Gleichspannung des HV-Busses
sinusförmige Drehfelder für die Antriebsmotoren. Die Anbindung an das Netz
geschieht über ein Ladegerät, das die Netzspannung gleichrichtet.
Beim derzeitigen Strommix in Deutschland gehen Experten derzeit
davon aus, dass eine entsprechende Versorgung aus regenerativen
Energiequellen nicht möglich ist.
Die Leistungselektronik pushen
Die bei vollwertigen Elektroautos benötigten Antriebsleistungen
liegen jenseits von 20 Kilowatt. Um die dabei auftretenden Ströme
– insbesondere hinsichtlich Kabel, Stecker, Kontaktierungen und
Halbleiterkosten – in einem handhabbaren Rahmen von bis zu einigen
hundert Ampere halten zu können, ist ein lokales Versorgungsnetz
mit erhöhter Spannung (HV-Bus) notwendig. Für Elektrofahrzeuge
mit Antrieben bis etwa 100 Kilowatt kommen Spannungen
bis zu 400 Volt zum Einsatz, weil sich so überall verfügbare
600-Volt-Leistungshalbleiter nutzen lassen. Im Fall höherer Antriebsleistungen,
wie sie bei Sport- und Nutzfahrzeugen vorkommen,
finden sich auch darüber hinausgehende HV-Busspannungen,
die jedoch Leistungskomponenten mit höherer Sperrfähigkeit
erfordern, zum Beispiel 1200 Volt.
In jedem Fall zieht mit einem elektrifizierten Antriebsstrang in
breitem Umfang Hochvolt- und Hochleistungselektronik in die
Fahrzeugtechnik ein. Das HV-Bordnetz muss dabei aus Sicherheitsgründen
vollständig doppelt galvanisch isoliert sein, das heißt
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78 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com
Bild: VDE

ohne leitende Verbindung zum Fahrzeugchassis. Entwicklungsziele
bei leistungselektronischen Fahrzeugkomponenten: reduzierte
Kosten und weniger Bauvolumen. Weitere Kostenfaktoren in der
Leistungselektronik sind – wenn man Kosten, Bauvolumen, Wirkungsgrad
und Gewicht betrachtet – neben den Leistungshalbleitern
auch die passiven Bauelemente, die Au� autechnik und vor
allem das Wärmemanagement.
Ausblick: Jede Verbesserung leistungselektronischer Fahrzeugkomponenten
erfordert eine umfassende Gesamtsystembetrachtung.
Im optimalen Zusammenspiel lässt sich so die E� zienz erheblich
steigern. Entwicklungsziele bei leistungselektronischen
Fahrzeugkomponenten sind:
■ niedrige Life-Cycle-Kosten
Erhöhung der Leistungsdichte und so kleinere Bauelemente
■ höhere Zuverlässigkeit durch bessere Verbindungstechnik
■
SiC und GaN: Energieeffi zienz mit modernen
Halbleitermaterialien erhöhen
Moderne Leistungshalbleiter ermöglichen die Wandlung elektrischer
Leistung mit hohen Wirkungsgraden. Eine hohe E� zienz
bieten Wide-Bandgap-Bausteine, die auf modernen Halbleiter-
Infokasten
Hybrid- statt Elektroauto?
Warum nicht einfach Hybrid- statt Elektroauto? Schließlich verfügt die
Kombination aus Verbrennungs- und Elektromotor über erhebliches
Potenzial. Ein Beispiel für gute Entwicklungsarbeit kommt aus dem
Hause Daimler: Im Mercedes S400 Hybrid gibt es laut Wolfgang
Wondrak noch Platzprobleme im Motorraum, wo neben der Li-Ionen-
Batterie auch der DC/DC-Wandler oder das rekuperative Bremssystem
untergebracht sind. Vorteil: Der Wagen punktet mit einer wirkortnahen
Systemintegration: „Die Leistungselektronik befi ndet sich dort,
wo sie hingehört“, berichtet Dr. Wondrak. Weitere Pluspunkte: hoher
Komfort, aktive Fahrwerkskontrolle, Start-Stopp-Automatik und nach
Herstelleraussagen keine Ladenachteile, sollen dem Nutzer den recht
hohen Anschaffungspreis schmackhaft machen.
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PROFIBUS-DIagnOSe
Schnell lokalisiert.
Schnell behoben.
Bild: Fraunhofer IISB
Antriebstechnik
Elektromotor für
einen Hybridantrieb,
der zusammen mit
einem 100-Kilovoltampere-Frequenzumrichter
in die
Kupplungsglocke
eines PKW integriert
wurde.
materialien, wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN)
basieren. Kommerzielle Schalter aus SiC, die keine Durchlassspannung
aufweisen, sind im Kommen. Nach Angaben des VDE wird
der SiC-JFET serienreif und zusammen mit einem Silizium-Niederspannungsmosfet
als Normally-O� -Bauelement verfügbar.
Zudem steht der SiC-Mosfet im Blickpunkt. Cree hat beispielsweise
Anfang dieses Jahres mit dem CMF20120 D einen 1200-Volt-
N-Kanal Leistungsmosfet für 20 Ampere vorgestellt (siehe Seite
34). IGBTs aus Siliziumkarbid stehen ebenfalls vor der Markteinführung,
die im Vergleich zu den Mosfets und JFETs mit niedrigeren
Gesamtverlusten punkten könnten. Nachteil: die noch recht
hohen Kosten. Das beim � ema Energiee� zienz andere, heiß diskutierte
Halbleitermaterial ist GaN. Auch hier arbeiten Leistungshalbleiterhersteller
mit Hochdruck an marktfähigen Bausteinen.
International Recti� er hat erfolgreich kommerzielle Niederspannungslösungen
auf den Markt gebracht und arbeitet nun an Bauelementen
mit Spannungen von 600 Volt. Automobilhersteller gehen
allerdings davon aus, dass sie nicht vor 2015 auf entsprechende
Leistungshalbleiter zugreifen können. SiC und GaN sind also erst
mittel- bis langfristig eine entsprechende Lösung für E-Autos.
Fazit: Das Elektroauto hat im Vergleich zu einem Fahrzeug mit
Verbrennungsmotor den entscheidenden Vorteil, dass das Drehmoment
sofort verfügbar ist. Somit lässt sich sofort die komplette
Leistung des E-Autos nutzen. Wenn die Probleme bezüglich Infrastruktur,
Batterietechnologie und Stromverfügbarkeit gelöst werden,
sollte den Nutzern eine ansprechende Alternative zur Verfügung
stehen. ■
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Bilder: Allegro Microsystems
Antriebstechnik
Auf Schritt und Tritt
Programmierbare Schrittmotor-Treiber-ICs
Allegro Microsystems’ A3981 und A4980
treiben bipolare Schrittmotoren im Voll-,
Halb-, Viertel- oder Sechzehntel-Schrittmodus
mit bis zu 28 V und ±750 mA. Anwendung
finden sie in Automobil-, Konsumer-
und Industrieelektronik. Beide Bauelemente
stellen Single-Chip-Lösungen
dar, mit integriertem digitalen Timing und
einem Zustandsautomaten. Sie lassen sich
über die simple Step- und Direction-
A3981 und A4980 von Allegro Microsystems:
programmierbare schrittmotor-Treiber-Ics.
Impressum
REDAKTION
Chefredaktion:
Dr. Achim Leitner (lei) (v.i.S.d.P.)
Tel.: +49 (0) 8191 125-403, E-Mail: achim.leitner@huethig.de
Redaktion:
Robert Unseld (uns), stellv. Chefredakteur
Tel.: +49 (0) 8191 125-830, E-Mail: robert.unseld@huethig.de
Stefanie Eckardt (eck)
Tel.: +49 (0) 8191 125-494, E-Mail: stefanie.eckardt@huethig.de
Jürg Fehlbaum (feh), freier Mitarbeiter
Tel.: +41 (0) 56 610 55 55, E-Mail: info@easytext.ch
Redaktion all-electronics:
Hilmar Beine (hb), Tel.: +49 (0) 6221 489-360,
Siegfried W. Best (sb), Tel.: +49 (0) 6221 489-240
Melanie Feldmann (mf), Tel.: +49 (0) 6221 489-463
Hans Jaschinski (jj), Tel.: +49 (0) 6221 489-260
Alfred Vollmer (av), Tel.: +49 (0) 89 606 685 79
Harald Wollstadt (hw), Tel.: +49 (0) 6221 489-308
Office Manager: Waltraud Müller
Tel.: +49 (0) 8191 125-408, E-Mail: waltraud.mueller@huethig.de
ANzEIgEN
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Redaktion elektronikJOURNAL
Justus-von-Liebig-Str. 1, 86899 Landsberg am Lech
E-Mail: info@elektronikjournal.de
Internet: www.elektronikjournal.com
Schnittstelle steuern oder via SPI-Port, der
auch zur Programmierung zahlreicher integrierter
Funktionen dient, sowie Diagnose-Informationen
bereitstellt. Der A4980
unterscheidet sich vom A3981 nur durch
den Low-Voltage-Betrieb. Mit ihm kann
der A4980 schon ab 3,3 V arbeiten (Vs (min)
beträgt 7 V beim A3981). Der Low-Voltage-Betrieb
ist für manche Automobil-Anwendungen
erforderlich, bei der die Batteriespannung
durch Kaltstarts auf einen
kritisch niedrigen Wert abfallen kann.
Die integrierte Laststromreglung kann
für den Betrieb mit fester Off-Time oder
für PWM mit fester Frequenz programmiert
werden. Dabei sind mehrere Decay-
Betriebsarten verfügbar, um das Laufgeräusch
des Motors zu reduzieren oder die
Schrittgenauigkeit zu erhöhen. Zudem sind
die Phasenstromtabellen über das SPI-Interface
programmierbar, um spezielle Mikroschritt-Stromprofile
zu generieren, die
Handelsregister-Nr.: HRB 703044, Amtsgericht Mannheim
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Verlagsleitung: Rainer Simon
Produktmanager Online: Philip Fischer
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Leitung Herstellung: Horst Althammer
Art Director: Jürgen Claus
Layout und Druckvorstufe: Vera Faßbender
Druck: Vogel Druck und Medienservice, GmbH & Co KG,
Leibnizstraße 5, D-97204 Höchberg, Tel.: +49 (0) 931 46 00-02
ISSN: 0013-5674
Jahrgang: 46
Erscheinungsweise: 5 x jährlich
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zeitlich und inhaltlich unbeschränkte Nutzungsrecht auf den
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Veröffentlichung in Printmedien aller Art sowie entsprechender
Vervielfältigung und Verbreitung, das Recht zur Bearbeitung,
Umgestaltung und Übersetzung, das Recht zur Nutzung für eigene
für spezifische Anwendungen die Motor-
Performance weiter erhöhen.
Der Strom für jede Phase des Motors
führt über eine DMOS-Vollbrücke, wobei
die synchrone Gleichrichterschaltung die
Leistungsaufnahme verringert. Interne
Schaltungen und Timer verhindern Crossover-Ströme,
die beim gleichzeitigen Schalten
von High- und Low-Side auftreten
können. Die Ausgänge sind gegen Kurzschluss
geschützt. Außerdem sind Diagnosefunktionen
für zu geringe Lastströme
und blockierenden Rotor verfügbar sowie
Warnfunktionen bei zu heißen oder zu kalten
Betriebszuständen und eine Abschaltung
bei thermischer Überlast, Unter- oder
Überspannung. Beide Chips sind in 28-poligen
TSSOP-Leistungsgehäusen mit Exposed
Pad für optimierte Wärmeabfuhr verfügbar.
(lei) n
infoDIREKT 501ejl0211
Werbezwecke, das Recht zur elektronischen/digitalen Verwertung,
z. B. Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen,
zur Veröffentlichung in Datennetzen sowie Datenträger
jedweder Art, wie z. B. die Darstellung im Rahmen von Internet-
und Online-Dienstleistungen, CD-ROM, CD und DVD und der
Datenbanknutzung und das Recht, die vorgenannten Nutzungsrechte
auf Dritte zu übertragen, d. h. Nachdruckrechte einzuräumen.
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Manuskripte wird keine Haftung übernommen. Mit Namen oder
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80 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com

Embedded Mikrocontroller
Für kleine BLDC-Systemlösungen
Von Micronas gibt es eine optimierte
Systemlösung für den Antrieb
bürstenloser Gleichstrommotoren
(BLDC): Die Systemlösung
beinhaltet den Embedded-
Mikrocontroller HVC 2480B.
Dieser flash-basierte 8-Bit-
Bürstenloser Gleichstrommotor
Hohe Leistungsdichte
Maxon EC40: Leistet bei einem
Durchmesser von 40 mm und 80
mm Länge 170 W. EC40 arbeitet
mittels Neodym-Permanentmagneten,
hat ein rostfreies Gehäuse
und geschweißte Flanschen. Kennliniensteigung:
ungefähr 3,6 min -1 /
mNm -1 , mechanische Anlaufzeit-
Multifunktionssteuerung für DC-Motoren
Schmal gebaut
Von Kaleja Elektronik gibt es einen
auf DIN-Schiene aufschnappbaren
22,5 mm breiten Regler für
24-VDC-Motoren kleinerer Leistung
bis 120 W. Durch Mosfet-
Technologie beträgt der Wirkungsgrad
bis zu 95 %. Die Steuerung
ist für den Reversierbetrieb
ausgelegt. Der jeweilige Betriebszustand
wird durch LED angezeigt.
Durch einen Analogeingang
0...10 VDC kann die Motordrehzahl
geregelt werden. Eine Referenzspannung
von 10 VDC wird
von der Steuerung bereitgestellt,
Bild: Micronaqs
Bild: Maxon Motor
Mikrocon troller kann direkt mit
einer 12-V-Versorgungsspannung
betrieben werden und ist mit einer
integrierten Dreiphasenansteuerung
für BLDC-Motoren bis
300 mA Nennstrom ausgestattet.
Damit adressiert Micronas den
Markt für Anwendungen mit bürstenlosen
Motoren. Der integrierte
Verstärker zur Strommessung
und der Power-MOS-Kurzschlussschutz
minimieren zudem die
Zahl externer Komponenten für
eine komplette BLDC-Applikation.
infoDIREKT 298ejl0211
konstante 2,1 ms, Grenzdrehzahl
18.000 min -1 , Wirkungsgrad 89 %.
Die eisenlose Wicklung resultiert in
ruhigem, rastmomentfreiem Lauf
und hohem Anhaltemoment. EC40
ist mit Anbaukomponenten wie
Encoder oder Getriebe kombinierbar
sowie optional mit einer Permanentmagnet-Bremse
namens
AB 32 für Betriebstemperaturen
von -40 bis +100 °C. Controller
von 1- bis 4-Quadranten-Servoverstärkern
bis zu programmierbaren
Positioniersteuerungen,
kommen hinzu.
infoDIREKT 299ejl0211
somit kann die Drehzahl vom Motor
auch per Potentiometer geregelt
werden. An einem zweiten
Analogeingang 0...10 VDC kann
die Startrampe (Softstart) von 50
ms bis 4000 ms eingestellt werden.
Im Auszustand wird der Motor
kurzgeschlossen und so dynamisch
sehr schnell gebremst
(Funktion abschaltbar). Kurzschluss-
und Überlastschutz werden
durch intelligente Ausgangstreiber
gewährleistet.
infoDIREKT 297ejl0211
Engineeringtool
Frequenzumrichter auswählen
Mit der neuen Version des DT-
Konfigurator von Siemens gelangt
man von der Applikation zur Antriebslösung:
Mit der Auswahlhilfe
wählt der Kunde die relevante
Verwendungsart Pumpen/Lüften/
Verdichten, Bewegen, Verarbeiten
sowie Bearbeiten aus. Daraus ergeben
sich mögliche Anwendungen
wie Lüfter, Förderbänder, Regalbediengeräte,
Rührwerke oder
64 x 95 mm
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45 x 67 mm
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Antriebstechnik
Walzstraßen sowie Fräs-, Dreh-
oder Bohrbearbeitungen. Dann
entscheidet man sich für kontinuierliche/nicht-kontinuierlicheBewegungsabläufe
und wählt zwischen
einfacher, mittlerer, hoher
Performance. Ergebnis: Vorschläge,
welche Umrichter-Produkte
von Siemens in Frage kommen.
infoDIREKT 296ejl0211
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HF- / Mikrowellentechnik
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Messen · Prüfen · EMV
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Heizen · Kühlen · Lüften
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Luftfahrtelektronik
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Stromversorgungen
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Antriebstechnik
Logik-Bauelemente
Kabel · Stecker · Gehäuse
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Unverstärkte Pad Typen
SBC-5 grau 5 W/mK
SBC-3 grau 3 W/mK
SBC rosa 1,5 W/mK
Weiche, gelartige Pads mit einer
Shorehärte von 2 - 10° - beidseitig
haftend
Stärken 0,5 bis 5,0 mm
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Glasgewebe Deckfolie Pads
SB-V0-7 7 W/mK
SB-V0-3 ����������������������� 3 W/mK
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SB-V0YF 1,3 W/mK
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SB-V0 ���������������� 1,3 W/mK �� ������
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Glasgewebe Deckfolie und weiche,
gelförmige Unterseite.
Shorehärte 2 - 20°. Einseitig haftend bis
klebend. Stärken 0,5 bis 5,0 mm
Silicon-Glasgewebe Folie
SB-HIS-4 4 W/mK
SB-HIS-2 2 W/mK
SB-HIS 1 W/mK
Dünne glatte Folie, auch einseitig
klebend.
Stärken 0,23 und 0,30 mm
PCIM Nürnberg 17.-19.05.2011 Halle 12 Stand 131
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02/2011 81

Verzeichnisse
Inserenten
ABSOPULSE 66
AUTRONIC 47
Beta Layout 66
Bicker 49
BROXING 78
CONTRINEX 69
Danfoss Silicon Power 19
DETAKTA 81
Deutschmann 72
Digi-Key Titelseite, 2.US, 9
Distrelec Schuricht 67
E-A Elektro-Automatik 39
EMTRON 49
EVG 61
Fischer Elektronik 75
Allegro Microsystems 80
ABB 73
B&R 74
BMBF 16
Control-Eng 74
Converteam 68
Cree 16, 34
Daimler 76
Danfoss 70
Efficient Power Conversion 26
Epson 67
Ericsson Power Modules 46
Fraunhofer IAF 16, 26
Groschopp 74
i2i-Marketing 10
IDT 54
Infineon 6, 10, 16, 35, 76
International Rectifier 16, 22
Algert, Peter 42
Armstrong, Tony 43
Bauer, Peter 6
Bayliss, Ann-Marie 56
Beilenhoff, Klaus 16
Burghardt, Michael 70
Chin, Alex 42
Dinc, Mustafa 16
Dreßen, Jochen 16
Erdl, Berhard 6
Friedrichs, Peter 16
Grasshoff, Thomas 12
Gretzke, Werner 64
Hartmann, Stefan 67
Frei 59
GlobTek 55
GLYN 17
Hivolt 81
HY-LINE 63
IBH softec 73
Infineon 29
Juventus 27, 34
Kunze 71
LEM 57
Linear Technology 21
LPKF 7
Mitsubishi Electric 25, 45
MTM 58
National Semiconductor 5
Dieser Ausgabe liegen Prospekte folgender Firma bei: PCE Power Control Electronic
Unternehmen
Personen
Kaco New Energy 16
Kaleja 81
Kemet 69
Linear Technology 43
Maxon Motor 81
Mesago PCIM 6, 10
Metallux 68
Micronas 81
MTM Power 44
Murata Power Solutions 56
National Semiconductor 42
NXP 16
Phoenix Contact 36
Profibus Nutzerorganisation 6
Puls 6
Recom Electronic 40, 44
Renault 76
Robert Bosch 6
Holzleitner, Alois 74
Hsu, Gavin 10
Johannsen, Andreas 30
Kierstead, Paul 34
Klinger, Roman 60
Kroell, Daniele 16
Le Fèvre, Patrick 46
Lidow, Alex 26
Liesabeths, Dieter 16
Lorenz, Leo 10, 76
McDonald, Tim 16
Mießner, Mathias 75
Moldehn, Anja 36
Niklas, Erich 16
Panasonic Electric Works 3
Phoenix Contact GmbH & Co. KG 33
RECOM ELECTRONIC GmbH 36, 52
Reichelt 15
RS Components 4.US
Schulz-Electronic 51
SEMIKRON Titelseite
Silicon Laboratories 23
Softing Industrial Automation GmbH 79
SYKO 48
TDK-Lambda 43
Telemeter 81
UNIDOR 35
WDI 68
Rohm 35
Semikron 12
Semisouth 16
Siemens 81
ST Microelectronics 16
TDK-EPC 69
TE Connectivity 64
Texas Instruments 50
The Bergquist Company 68
Toshiba 35
United Monolithic Semiconductor 16
Vacon 75
Vacuumschmelze 60
VDI Technologiezentrum 16
Vincotech 30
Vishay 16, 69
Wago 69
ZVEI 6
Quay, Rüdiger 16
Riethmüller, Werner 16
Roberts, Steve 44
Scalia, Pietro 50
Schäfer, Ulrich 6
Scheuermann, Uwe 10
Shah, Hemal 22
Trahan, Lonny 54
Ulmann, Matthias 50
Weller, Udo 6, 10
Wondrak, Wolfgang 76
Zimmermann, Reinhard 40
82 elektronikJOURNAL 02/2011
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