Energiesparende Kleinantriebe

Der Einsatz drehzahlgeregelter Antriebe in Massenanwendungen wie Lüfter, Pumpen, Wasch­maschinen, Kühlschränken oder Klimageräten bietet ein enormes Energieeinsparpotential. Unabhängige Studien zeigen, daß dadurch allein in Deutschland mehr als 20 Milliarden Kilo­watt­stunden Strom pro Jahr eingespart werden könnten, was der Jahresproduktion von 5-10 mittleren Kohlekraftwerken entspricht. Dieses Potential kann aber nur erschlossen werden, wenn entsprechende Antriebe in die Kostenregion heutiger ungeregelter Stan­dard­antriebe gebracht werden. Hier setzen die am Fraunhofer Institut für Integrierte Schal­tun­­gen, Bereich Bauelementetechnologie (IIS-B) mit Unterstützung des Bayerischen Kom­petenz­netzwerks für Mechatronik (BKM) durchgeführten Entwicklungsarbeiten an. Ziel der Arbeiten ist es, durch eine mechatronische Integration der Leistungselektronik (Umrichter) an bzw. in den Elektromotor neue Kosteneinsparpotentiale zu erschließen.

Ein erster Entwicklungsschritt dahin ist der auf der Hannover Messe vorgestellte, konsequent unter Kostenaspekten ent­wickel­­­te Frequenzumrichter der Leistungsklasse 1kW, eine Leistungsklasse in die ein Großteil der oben genannten Anwendungen fällt. Der bei diesem Prototypen gewählte Ansatz der Verwen­dung preiswerter diskreter Leistungs­transistoren in Oberflächenmontagetechnik (SMT-Montage) auf Standard-Platinenmaterial erlaubt eine besonders kostengünstige auto­mati­sierte Bestückung des Umrichters und den Verzicht auf arbeitsintensive, manuelle und damit teuere Ferti­gungs­schritte wie Schrauben oder Klemmen. Durch ein spezielles Design der Leiter­platte wird eine Entwärmung der Leistungshalbleiter durch die Platine hindurch sicher gestellt. Darüber hinaus kommt eine neuartige Schaltung zur Hilfsspannungserzeugung zum Einsatz, bei der der sonst übliche Transformator entfallen kann, was ebenfalls zur Kosten und Bauraum­reduzierung beiträgt.

Über das Fraunhofer IIS-B

Das Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen, Bereich Bauelementetechnologie (IIS-B), ist seit seiner Gründung im Jahr 1985 erfolgreich auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie tätig. Sein klas­si­sches For­schungs­gebiet ist die Prozeßentwicklung für die Halbleiterindustrie in der gesam­ten Band­breite, von der Kristallzüchtung über fort­schrittliche Prozeßschritte zur Her­stellung von Halbleiter­bau­elementen, Ver­fah­ren zur Halbleiter­analytik bis hin zur Entwicklung von Halb­leiter­fertigungs­geräten und Simulationswerkzeugen.

Das zweite Geschäftsfeld des Instituts bildet die Leistungselektronik mit den Schwerpunkten Technologie und Design für Leistungsbauelemente sowie leistungselektronische Schaltungs- und Sys­tement­wick­lung. Das besondere Augenmerk gilt dabei der mechatronischen Systemintegra­tion, d.h. der Integration von Leistungselektronik, Mikroelektronik, Sensorik und Mechanik.

Leistungs­elektro­nik ist auf­grund ihrer origi­nä­ren Funktion »Steu­e­rung und Um­wandlung elek­tri­scher Leis­tung« einer der maß­geb­li­chen He­bel bei Zukunfts­themen wie de­zen­trale Energie­er­zeugung (Brenn­stoff­zel­len, Wind­kraft, Photo­vol­ta­ik), Ener­gie­ein­spa­­rung oder Emi­sionsredu­zie­rung. Erst durch den Ein­­satz mo­der­ner in­no­vativer Leis­­tungs­elek­­­tronik werden die da­zu not­wen­digen Sys­te­me wie be­darfs­ge­recht re­gel­bare Motoren, Generatoren, Hybrid­antriebe­ oder effi­zien­te Leis­tungs­wandler ­erst mög­­­lich. Zu den Kunden des Instituts ge­hören die Auto­mobil­in­dus­trie und deren Zu­lieferer, Fir­men aus den Bereichen Antriebs­tech­nik, Ver­kehrstechnik, dezen­tra­le Ener­gie­er­zeugung und -ver­tei­lung, Ge­bäu­­de­automatisierung und In­dus­trieelektronik sowie Her­stel­­ler von Leistungshalbleitern und Halb­lei­ter­modulen. Unterstützt werden diese Firmen in der anwen­dungs­orientierten Vorlaufforschung sowie bei der Entwicklung von Prototypen und Klein­serien.

Das Institut ist Gründungsmitglied im Bayerischen Kompetenznetzwerk für Mechatronik (BKM) und bringt ins Netzwerk seine Kompetenzen im Bereich leistungslektronischer Systemlösungen ein. Darüber hinaus ist das Institut einer von drei Initiator des Unternehmensnetzwerks Leistungselektronik der Energieregion Nürnberg (NICE, www.nice-netzwerk.de), in dem auf dem Gebiet der Leistungs­elektronik tätige Unternehmen aus ganz Deutschland zusammenarbeiten