Energie 14.07.2000, 17:25 Uhr

Mehr Power für Leistungselektronik

Bei der Leistungselektronik steht nicht mehr die Entwicklung der Halbleiter im Vordergrund, sondern die Integration mit mikroelektronischen und mechanischen Komponenten. Dies zeigte eine VDE-Konferenz in Bremen.

Unsere Branche beherrscht derzeit vor allem ein Thema: die Leistungselektronik mit der Mikroelektronik zu verheiraten. Nachdem rund zwei Jahrzehnte die Entwicklung neuer Halbleiter die treibende Kraft des Fortschritts war, fokussiert sich das Interesse von Herstellern und Nutzern derzeit eindeutig auf die Systemintegration“, erklärt Dr.-Ing. Leo Lorenz, Leiter der System Engineering Group für Industrieanwendungen bei der Infineon Technologies AG in München. Dieser Trend wurde auch kürzlich auf der CIPS 2000 (Conference on Integrated Power Systems) in Bremen bestätigt, die von der Energietechnischen Gesellschaft (ETG) im Verband der Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik (VDE), Frankfurt/M., veranstaltet wurde.
Die erste Dekade des 21. Jahrhunderts wird eine so bisher nicht praktizierte enge Kooperation zwischen Ingenieuren mit Erfahrung im Bereich Chip-Design, System-Entwicklung und mechanische Konstruktion bringen. „Aus den Firmen heraus entstehen Systemteams, die bestimmte Anwendungsgebiete gemeinsam bearbeiten. Kleinere Firmen, die nicht die komplette Kompetenz im eigenen Haus haben, werden sich zu strategischen Allianzen zusammenschließen“, prophezeit Prof. Dieter Silber vom Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente der Universität Bremen.
Weltweit beträgt das Marktvolumen für Leistungselektronik rund 14 Mrd. Dollar im Jahr, nahezu ein Zehntel des gesamten Umsatzes mit Mikroelektronik. Besonders auffällig dabei sind die ausgesprochen hohen Wachstumsraten, die in diesem Gebiet jährlich stattliche 16 % bis 19 % erreichen. Die Experten sind sich einig in ihrer Beurteilung, dass die Leistungselektronik die Bedeutung einer Schlüsseltechnologie erlangt hat, die eine stark steigende Zahl an Innovationen im Maschinen- und Anlagenbau, in der Automobilindustrie sowie in der Antriebs- und Automatisierungstechnik hervorbringt. Da diese Branchen speziell für Deutschland große Bedeutung besitzen, ist die Verfügbarkeit von Leistungsbauelementen und -ICs der neuesten Generation eine strategisch wichtige Voraussetzung für neue Produkte und die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie.
Die Integration der Leistungselektronik mit einem Aktor wie Motoren, Ventilen oder Antrieben ermöglicht den Einsatz moderner mechatronischer Systemlösungen, die viele Vorteile aufweisen. Der größte Nutzen besteht in einem deutlich verminderten Energieverbrauch, der durch erheblich reduzierte Verlustleistungen bei den Halbleiter-Bauelementen und optimierte Steuerungs- und Regelungsverfahren mit immer kürzeren Schaltzeiten erreicht wird. Darüber hinaus erhöht die moderne Leistungselektronik die Zuverlässigkeit elektrischer Systeme, reduziert die Geräuschemissionen und erlaubt eine Miniaturisierung.
Vor allem drei Einsatzgebiete zeichnen sich ab: Im Automobil stehen die 42-V-Netze vor der Einführung, die Hochtemperatur-Elektronik und -Systemtechnik benötigen. Derartige Bauteile müssen Temperaturen bis etwa 200 °C aushalten. Viele Fachleute gehen davon aus, dass der wichtigste Anwendungsbereich in den kommenden zwei bis acht Jahren die Haushaltstechnik sein wird – Waschmaschinen, Kühlschränke oder Klimageräte werden „intelligent“. „Bis 2005 wird die Systemintegration, die gerade mit Mikro- und Leistungselektronik begonnen hat, direkt bis in die Motoren vorankommen“, versichert Leo Lorenz. Das dritte Feld sind Industrieantriebe eher im unteren Leistungsbereich.
Der Massenmarkt „Consumer Drive Applications“ wird im Moment sehr stark von japanischen Firmen vorangetrieben, die auch mit allen großen Anbietern auf der VDE-Konferenz vertreten waren. Motor für dieses Gebiet sind Klimaanlagen, die schwerpunktmäßig in Asien entwickelt und produziert werden. Die Fertigungszahlen liegen bei etwa 20 Mio. Einheiten pro Jahr. Für diese hohen Stückzahlen werden applikationsspezifische Lösungen erarbeitet, die gleichzeitig Standards setzen.
Europa und insbesondere Deutschland sind dagegen stark bei den so genannten „Engineering Drives“. In diesem Markt werden nur kleine Serien mit hohen technischen Anforderungen gefertigt. Typische Anwendungen sind z.B. Roboter, Werkzeugmaschinen, Aufzüge oder die Automatisierungstechnik. „Wir haben versucht, von diesem Hightech-Level aus auch den Markt der Consumer-Produkte zu erschließen. Das hat nicht funktioniert. Deshalb müssen wir jetzt direkt kostengünstige Lösungen für diesen Bereich entwickeln“, fordert Lorenz. Eine gute Ausgangsposition besteht in jedem Fall in der Automobilelektronik, wo Deutschland schon länger Technologietreiber ist. „Die geforderten höheren Temperaturen im Auto sind Ausgangspunkt für verstärkte Grundlagenforschung, was auch den Universitäten zugute kommt“, freut sich Hochschullehrer Dieter Silber.
Große Chancen winken auch in der Haustechnik. Der technische Fortschritt erlaubt es, leistungselektronische Stellglieder zur gezielten Steuerung und Regelung von Induktionsmaschinen zu realisieren. Hiermit lassen sich konventionelle Lösungen im Haushaltsbereich ersetzen bzw. völlig neue Applikationen erschließen.
Da heute ca. 50 % der elektrischen Energie in Elektroantrieben umgeformt werden und davon erst ein Zehntel mit drehzahlvariablen Bauteilen ausgestattet sind, so ist dies das größte Wachstumsgebiet der gesamten Industrie-Elektronik. Antriebe, die in Drehzahl und -moment einstellbar sind, erreichen einen deutlich besseren Systemwirkungsgrad. So lassen sich z. B. bei Kühlschränken 30 % bis 40 % der Energie einsparen.
Gerade weil der Leistungselektronik eine Schlüsselrolle zukommt, schmälert ein Problem die guten Aussichten der deutschen Industrie: „Der Nachwuchsmangel ist gravierender als die Knappheit an Mitteln“, klagt Prof. Silber. „Forschung, Entwicklung und Ingenieursausbildung auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter-Bauelemente, Leistungs-ICs und Systemintegration müssen wesentlich stärker gefördert werden“, verlangt auch Leo Lorenz. KLAUS JOPP
Leistungselektronik in der Antriebs- und Automatisierungstechnik (hier eine Förderanlage) senkt den Energieverbrauch und soll die Zuverlässigkeit erhöhen.

Von Klaus Jopp
Von Klaus Jopp

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