Die Leistungselektronik ist nie auf sich allein gestellt

Veröffentlicht am: 06 Dezember 2020

Experte:

Prof. Jeroen van Duivenbode (ASML & TU/e Fellow)

Trainer

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Elektromechanische Aktuatoren, die von hocheffizienten und präzisen leistungselektronischen Schaltungen angetrieben werden, sind die Arbeitspferde der Industrie. Sie bestimmen die Leistung und Qualität vieler industrieller Prozesse. High-Tech Systems sprach mit Jeroen van Duivenbode, Spezialist für Leistungselektronik bei ASML, Stipendiat an der Technischen Universität Eindhoven und Trainer am High Tech Institute.

Er braucht ein paar Augenblicke zum Überlegen, aber dann nickt er bestätigend: „Ja, es gibt immer noch Produkte, die um die Erde kreisen und die ich entworfen habe.“ Jeroen van Duivenbode arbeitet zwar seit fast einem Vierteljahrhundert bei ASML, aber seine Wurzeln liegen in der Luft- und Raumfahrt. Dieser Hintergrund bringt ihn manchmal auf interessante und radikal andere Ideen in der Halbleiterwelt.

Jeroen van Duivenbode: ‚Das Schöne an der Leistungselektronik ist, dass sie alle Teilbereiche der Elektrotechnik umfasst.‘

Nach seinem MSc-Abschluss in Leistungselektronik an der Technischen Universität Delft ging Van Duivenbode nach Frankreich, um bei der damaligen Alcatel Espace in Toulouse zu arbeiten, die heute zu Thales Alenia gehört, wo er Leistungswandler für Satelliteninstrumente entwickelte. „Dabei handelte es sich in der Regel um Funksender und -empfänger, die von Bordbatterien und Solarzellen mit Strom versorgt werden mussten“, sagt er. „Die andere Seite meiner Arbeit waren Simulationsmodelle. Ich habe eine Menge Berechnungen zu Energiesystemen für Satelliten und Raumstationen durchgeführt. Heutzutage gibt es dafür alle möglichen Werkzeuge, aber damals – in den späten Achtzigern und frühen Neunzigern – hatten wir nichts.“

Nach fünf Jahren in Frankreich wechselte Van Duivenbode nach Norwegen, zu Norspace, ebenfalls ein auf Raumfahrtelektronik spezialisiertes Unternehmen. „Wir bauten unter anderem Wellenfilter für die Oberflächenakustik, kleine Komponenten auf Quarzbasis, die wir zur Entwicklung hochwertiger Bandpassfilter verwendeten. Wir haben auch Systeme für die Ariane 5 Rakete geliefert. Sie können sich vorstellen, dass wir ein wenig gestresst waren, als ihr erster Testflug fehlschlug. Glücklicherweise war es nicht unsere Schuld; die Fehlfunktion wurde durch einen Fehler in der Software verursacht. Danach wurden unsere Einheiten in den Sümpfen von Französisch-Guayana wiedergefunden. Sie waren noch funktionsfähig, obwohl sie aus vier Kilometern Höhe auf die Erde gefallen waren.“

Kosmische Strahlung

Zurück in den Niederlanden beginnt Van Duivenbode für ASML zu arbeiten. In fast 25 Jahren hat er sich zu einem der wichtigsten Ansprechpartner für Leistungselektronik entwickelt. Ein Fachgebiet, das für die Chipfertigungssysteme aus Veldhoven sicherlich nicht unwichtig ist. Alle Bewegungen von z.B. der Wafer- und Fadenkreuzbühne benötigen eine hohe Leistung, während die Spielräume extrem klein sind. „Im gesamten Fehlerbudget des Designs sprechen wir von mehreren Prozent. Das bedeutet, dass wir eine Toleranz von etwa einem Zehntel eines Atoms haben müssen“, erklärt Van Duivenbode.

Wie bei ASML im Allgemeinen wird auch die Arbeit von Van Duivenbode durch das Mooresche Gesetz diktiert. Außerdem ist die Produktivität ein wichtiges Merkmal der Maschinen von ASML. Eine kürzere Scanzeit bedeutet schnellere Bewegungen und mehr Leistung.“ Und viel mehr Leistung, denn es besteht ein kubisches Verhältnis zwischen Produktivität und Spitzenleistung: Eine Verdoppelung der Produktivität erfordert eine Verachtfachung der Leistung. „Wir haben schon mehrere dieser Verdoppelungen erlebt. Früher hätte die Elektronik für alle Bewegungen in einen Schuhkarton gepasst, heute braucht jede Maschine mehrere Kubikmeter Leistungselektronik.“

Da die Fehlerspanne so klein ist, kann selbst die kleinste Störung das System ernsthaft beeinträchtigen. „Einmal haben wir an einer neuen Generation von Verstärkern gearbeitet. Wir hatten die Spannung erhöht und die Mosfets bis an ihre Grenzen gebracht“, erinnert sich Van Duivenbode. „Innerhalb von zwei Wochen hatten viele dieser Mosfets Fehlfunktionen. Wir versuchten, die Ursache zu finden und schlossen jede mögliche Erklärung aus, von EMV bis hin zu Systemfehlern, aber alles schien in Ordnung zu sein. Es blieb nur eine Möglichkeit: kosmische Strahlung.“

Früher hätte die Leistungselektronik für alle Bewegungen in einer ASML-Maschine in einen Schuhkarton gepasst, heute braucht jede Maschine mehrere Kubikmeter Leistungselektronik. Kredit: ASML

In seiner früheren Karriere war die kosmische Strahlung sein tägliches Geschäft, aber in der Halbleiterindustrie brauchte Van Duivenbode einige Mühe, um seine Ingenieurskollegen zu überzeugen. „Niemand wollte es glauben. Also bauten wir einen Testaufbau mit Tausenden von Transistoren. Im Labor fielen jede Woche mehrere aus. Dann verlegten wir den Aufbau in die städtische Höhle in Valkenburg, die sich unter einer dicken Schicht aus Erde und Kalkstein befindet. Nach acht Wochen war noch kein einziger Transistor ausgefallen. Seit diesem Experiment ist in der Branche bekannt, dass man die kosmische Strahlung nicht nur bei großen Chips, sondern auch bei kleinen Mosfets berücksichtigen muss.“

Breiter Beruf

Neben seiner Arbeit bei ASML ist Van Duivenbode Forschungsstipendiat an der Technischen Universität Eindhoven, natürlich im Bereich Leistungselektronik. Seit einigen Jahren ist er auch Dozent am High Tech Institute für den Kurs ‚Actuation and power electronics‚. „Diese Ausbildung ist für jeden interessant, der sich mit hochpräzisen Systemen beschäftigt. Und damit sind nicht unbedingt Nanometer gemeint wie bei ASML“, versichert Van Duivenbode. „Im Mikrometerbereich ist es genauso wichtig zu sehen, wie Sie die Leistungselektronik in Ihr mechatronisches System einbauen können. Und selbst wenn Sie über etwas ‚Grobes‘ wie das Antriebssystem eines Autos sprechen, müssen Sie sicherstellen, dass es stabil und zuverlässig ist.“

„Die Leistungselektronik ist ein Beruf, der nicht für sich allein steht“, fährt er fort. „Sie steht immer im Dienst des Systems. Niemand wird nur nach einem Schaltkreis fragen, der ein paar Kilowatt erzeugt. Das ist uninteressant. “

„Das Schöne an der Leistungselektronik ist, dass sie alle Teilbereiche der Elektrotechnik umfasst. Neben allen Standardbausteinen für die Leistungselektronik, wie Mosfets, Dioden und Spulen, müssen Sie sich auch mit analoger Elektronik auskennen, um genaue Messungen durchführen zu können, sowie mit digitalen Technologien und VHDL. Elektromagnetische Verträglichkeit ist ein Thema, denn hohe Spannungen und hohe Ströme spielen Fehlern in die Hände. Sie müssen sich also mit EMV auskennen, genau wie mit thermischem Design, da sich Komponenten schnell erhitzen können. Sie müssen mit dieser Hitze fertig werden. Ein Kühlkörper könnte die Lösung sein, aber dann müssen Sie sich der kapazitiven Kopplung bewusst sein.“

Und dann ist da noch die Zuverlässigkeit. „Bei diesen hohen Leistungen wird die Elektronik an ihre Grenzen gebracht. Die Leiterplatten müssen hart arbeiten, so dass sie anfälliger für Ausfälle sind“, sagt Van Duivenbode. „Das bedeutet, dass man sich mit Zuverlässigkeit und Lebenszyklustests auskennen muss.“

Super Leitfähigkeit

Van Duivenbode ist einer von mehreren Lehrern des Kurses. Neben der Leistungselektronik und dem Rechnen mit magnetischen Kreisen – die Teile, die Van Duivenbode übernommen hat – geht es in dem Kurs auch um Aktoren. Lineare und planare Lorentz-Aktuatoren, Piezo-Aktuatoren, sie alle werden behandelt. Relativ neu und vielversprechend sind die sogenannten Reluktanzmotoren.

„Das ist eine Variante, bei der Sie einen Strom durch eine Spule fließen lassen und diesen nutzen, um ein Stück Magnetstahl oder Weicheisen anzuziehen“, erklärt Van Duivenbode. „Reluktanzmotoren können hohe Leistungsdichten liefern. Der Nachteil ist, dass diese Kräfte in hohem Maße nichtlinear sind und dass der Motor nur Zugkräfte erzeugen kann. An der Universität, in der Gruppe von Elena Lomonova, wird viel geforscht, um eine Lösung für diese Nichtlinearität zu finden. Wenn diese gefunden ist, macht die hohe Leistungsdichte die Reluktanzmotoren für viele Anwendungen sehr attraktiv.“

Eine weitere neue Technologie ist die Superleitfähigkeit. „Sie wird bereits zum Beispiel in MRT-Scannern eingesetzt. Es gab auch einen erfolgreichen niederländischen Test zur Verwendung von Superleitfähigkeit in unterirdischen Stromleitungen. Das Prinzip wurde bewiesen, aber das Projekt wurde nicht weiterverfolgt“, erklärt Van Duivenbode. „Die erste Windmühle mit supraleitenden Magneten wurde ebenfalls gebaut. Diese Magnete befanden sich im Rotor, so dass sich das gesamte supraleitende System mit den Flügeln drehen musste. Eine ziemliche Leistung, wenn Sie mich fragen. Der nächste Schritt besteht darin, es wirtschaftlich zu machen; jemand muss diesen Schritt tun und darin investieren. Die Industrie ist noch nicht so weit, daher gilt die Supraleitung in der Ausbildung noch als exotisch.

Dieser Artikel stammt von Alexander Pil, technischer Redakteur von High-Tech Systeme.