Vermogenselektronica staat er nooit alleen voor

Gepubliceerd op: 06 december 2020

Expert:

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

Trainer

Lees meer over Jeroen van Duivenbode

Deel

---

Elektromechanische actuatoren, aangedreven door zeer efficiënte en nauwkeurige vermogenselektronische circuits, zijn de werkpaarden van de industrie. Ze bepalen de prestaties en kwaliteit van veel industriële processen. High-Tech Systems sprak met Jeroen van Duivenbode, specialist vermogenselektronica bij ASML, fellow aan de Technische Universiteit Eindhoven en trainer bij High Tech Institute.

Hij moet even nadenken, maar knikt dan bevestigend: “Ja, er cirkelen nog steeds producten rond de aarde die ik heb ontworpen.” Jeroen van Duivenbode mag dan al bijna een kwart eeuw bij ASML werken, zijn roots liggen in de lucht- en ruimtevaart. Deze achtergrond geeft hem soms interessante en radicaal andere ideeën in de halfgeleiderwereld.

Jeroen van Duivenbode: ‘Het leuke van vermogenselektronica is dat het alle subdomeinen van elektrotechniek bevat.’

Na zijn MSc in vermogenselektronica aan de Technische Universiteit Delft verhuisde Van Duivenbode naar Frankrijk om te gaan werken bij – wat toen nog – Alcatel Espace heette in Toulouse, nu onderdeel van Thales Alenia, waar hij vermogensomzetters ontwierp voor satellietinstrumenten. “Dat betrof meestal radiozenders en ontvangers die hun stroom uit batterijen en zonnepanelen aan boord moesten halen”, vertelt hij. “De andere kant van mijn werk bestond uit simulatiemodellen. Ik deed veel berekeningen aan energiesystemen voor satellieten en ruimtestations. Tegenwoordig heb je daar allerlei hulpmiddelen voor, maar toen – eind jaren tachtig, begin jaren negentig – hadden we niets.”

Na vijf jaar in Frankrijk maakte Van Duivenbode de overstap naar Noorwegen, naar Norspace, ook een gespecialiseerd bedrijf in ruimtevaartelektronica. “We bouwden onder andere oppervlakteakoestische golffilters, kleine kwartsgebaseerde componenten die we gebruikten om banddoorlaatfilters van hoge kwaliteit te ontwikkelen. We leverden ook systemen aan de Ariane 5-raket. Je kunt je voorstellen dat we een beetje gestrest waren toen haar eerste testvlucht mislukte. Gelukkig was het niet onze fout; de storing werd veroorzaakt door een fout in de software. Daarna werden onze toestellen teruggevonden in de moerassen van Frans Guyana. Ze waren nog steeds operationeel, hoewel ze van vier kilometer hoogte terug op aarde waren gevallen.”

Kosmische straling

Terug in Nederland gaat Van Duivenbode aan de slag bij ASML. In bijna 25 jaar is hij uitgegroeid tot een van de specialisten op het gebied van vermogenselektronica. Het is een expertisegebied dat zeker niet van ondergeschikt belang is voor de chipproductiesystemen uit Veldhoven. Alle bewegingen van bijvoorbeeld de wafer- en reticelstadia hebben flinke vermogensniveaus nodig, terwijl de marges extreem klein zijn. “In het totale foutbudget van het ontwerp hebben we het over enkele procenten. Dat vertaalt zich in de eis dat we een tolerantie van ongeveer een tiende van een atoom moeten hebben”, legt Van Duivenbode uit.

Net als bij ASML in het algemeen wordt het werk van Van Duivenbode gedicteerd door de Wet van Moore. Bovendien is productiviteit een belangrijk kenmerk van ASML’s machines. Een kortere scantijd betekent snellere bewegingen en meer vermogen.” En veel meer vermogen, want er is een kubische relatie tussen productiviteit en piekvermogen: een verdubbeling van de productiviteit vereist een verachtvoudiging van het vermogen. “We hebben verschillende van deze verdubbelingen meegemaakt. Vroeger paste de elektronica voor alle bewegingen in een schoenendoos, nu heeft elke machine meerdere kubieke meters vermogenselektronica nodig.”

Omdat de foutmarge zo klein is, kan zelfs de kleinste storing het systeem ernstig verstoren. “We werkten eens aan een nieuwe generatie versterkers. We hadden de spanning opgevoerd en de mosfets tot het uiterste gedreven,” herinnert Van Duivenbode zich. “Binnen twee weken waren heel wat van die mosfets defect geraakt. We probeerden de oorzaak te vinden en elimineerden alle mogelijke verklaringen, van EMC tot systeemfouten, maar alles leek in orde. Er bleef maar één optie over: kosmische straling.”

Vroeger paste de vermogenselektronica voor alle bewegingen in een ASML machine in een schoenendoos, nu heeft elke machine enkele kubieke meters vermogenselektronica nodig. Krediet: ASML

In zijn vroegere carrière was kosmische straling zijn dagelijkse kost, maar in de halfgeleiderindustrie kostte het Van Duivenbode enige moeite om zijn collega-ingenieurs te overtuigen. “Niemand wilde het geloven. Dus bouwden we een testopstelling met duizenden transistors. In het lab gingen er elke week wel een paar kapot. Toen hebben we de opstelling verplaatst naar de Gemeentegrot in Valkenburg, onder een dikke laag aarde en kalksteen. Na acht weken had nog geen enkele transistor het begeven. Sinds dat experiment is het in de industrie bekend dat je rekening moet houden met kosmische straling, niet alleen voor grote chips, maar ook voor kleine mosfets.”

Breed beroep

Naast zijn werk bij ASML is Van Duivenbode research fellow aan de Technische Universiteit Eindhoven, op het gebied van vermogenselektronica. Sinds enkele jaren is hij ook trainer bij High Tech Institute, voor de cursus ‘Actuation and power electronics‘. “Die training is interessant voor iedereen die betrokken is bij zeer nauwkeurige systemen. En dan bedoelen we niet per se nanometers zoals bij ASML”, verzekert Van Duivenbode. “Op micrometerschaal is het net zo belangrijk om te kijken hoe je de vermogenselektronica kunt inpassen in je mechatronische systeem. En zelfs als je het hebt over iets ‘grofs’ als het aandrijfsysteem van een auto, moet je er nog steeds voor zorgen dat het stabiel en betrouwbaar is.”

“Vermogenselektronica is een vak dat niet op zichzelf staat”, vervolgt hij. “Het staat altijd in dienst van het systeem. Niemand zal vragen om een schakeling die een paar kilowatt kan genereren. Dat is niet interessant. ”

“Het leuke van vermogenselektronica is dat het alle subdomeinen van elektrotechniek omvat. Naast alle standaard bouwstenen voor vermogenselektronica, zoals mosfets, diodes en spoelen, moet je ook kennis hebben van analoge elektronica, voor nauwkeurige metingen, en van digitale technologieën en VHDL. Elektromagnetische compatibiliteit is een thema omdat hoge spanningen en hoge stromen storingen in de hand werken. Je moet dus verstand hebben van EMC, net als van thermisch ontwerp omdat componenten snel warm kunnen worden. Met die warmte moet je kunnen omgaan. Een koellichaam kan de oplossing zijn, maar dan moet je rekening houden met capacitieve koppeling.”

En dan is er nog de betrouwbaarheid. “Bij die hoge vermogens wordt de elektronica tot het uiterste gedreven. De printplaten moeten hard werken, dus zijn ze gevoeliger voor storingen”, zegt Van Duivenbode. “Dat betekent dat je kennis moet hebben van betrouwbaarheid en levenscyclustesten.”

Supergeleiding

Van Duivenbode is een van de meerdere docenten van de opleiding. Naast vermogenselektronica en rekenen aan magneetschakelingen – de onderdelen die Van Duivenbode op zich heeft genomen – gaat de cursus ook over actuatoren. Lineaire en vlakke Lorentz actuatoren, piëzo actuatoren, ze komen allemaal aan bod. Relatief nieuw en veelbelovend zijn de zogenaamde reluctantiemotoren.

“Dat is een variant waarbij je een stroom door een spoel laat lopen en die gebruikt om een stuk magneetstaal, of zacht ijzer, aan te trekken”, legt Van Duivenbode uit. “Reluctantiemotoren kunnen hoge vermogensdichtheden leveren. Het nadeel is dat die krachten sterk niet-lineair zijn en dat de motor alleen trekkrachten kan opwekken. Op de universiteit, in de groep van Elena Lomonova, wordt veel onderzoek gedaan naar een oplossing voor deze niet-lineariteit. Als die gevonden is, maakt de hoge vermogensdichtheid reluctantiemotoren erg aantrekkelijk voor veel toepassingen.”

Een andere opkomende technologie is supergeleiding. “Dat wordt al gebruikt in bijvoorbeeld MRI-scanners. Er is ook een succesvolle Nederlandse proef geweest om supergeleiding te gebruiken in ondergrondse elektriciteitsleidingen. Het principe was bewezen, maar het project kreeg geen vervolg”, legt Van Duivenbode uit. “De eerste windmolen met supergeleidende magneten is ook gebouwd. Die magneten zaten in de rotor, dus het hele supergeleidende systeem moest meedraaien met de wieken. Een hele prestatie, als je het mij vraagt. De volgende stap is om het economisch haalbaar te maken; iemand moet die stap zetten en erin investeren.” De industrie is nog niet zover, dus supergeleiding wordt in de opleiding nog steeds als exotisch beschouwd.

Dit artikel is geschreven door Alexander Pil, technisch redacteur van High-Tech Systemen.