Verbundprojekt "Intelligente Leistungselektronik für nachhaltige und sichere Energiewandlung" - PowerizeD; Teilvorhaben IFAG: "Digitalisierung durch intelligente Leistungselektronik für europäische Wertschöpfungsketten"

Abstract

PowerizeD befasste sich mit Innovationen zu Designs, Herstellung und Erprobung intelligenter Leistungselektronik-Technologien von der Wafer- bis zur Systemebene. Insbesondere wurden neuartige Leistungsschalter auf Basis Si-IGBT und SiC-MOSFET für den Spannungsbereich von 600V bis 6.500V erarbeitet und in relevanten Anwendungsbereichen erprobt. Diese neue Generation weist räumlich und funktional eine wesentlich höhere Integration auf. PowerizeD erarbeitete die dazu erforderlichen Methoden. Ziel war das gemeinsame Optimieren aller Funktionalitäten in Treiber und Leistungsendstufe durch eine qualitativ neuartige Kooperation entlang der Wertschöpfungskette. Damit wurde die bisherige Praxis überwunden, diese Teile unabhängig voneinander zu entwickeln. Dank PowerizeD können kombinierte Multi-Chip-Bauelemente entstehen, die nicht nur umfangreichere Funktionen und höhere Performanz, sondern auch höhere Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit während ihres Betriebs in der Zielapplikation beim Endkunden aufweisen, und überdies effizienter entwickelt und gefertigt werden können. Weiterhin brachte PowerizeD umfangreiche Intelligenz direkt in Leistungselektronik-Komponenten und -module: Über das bisherige Messen einzelner Parameter und deren Auswertung für einfache Treiberfunktionalitäten wurden die in PowerizeD entwickelten Kompakt-Modelle auf Basis künstlicher Intelligenz (AI) integriert. Damit können nun umfassende Regelungen und die kontinuierliche Eigenüberwachung direkt im Schaltermodul realisiert werden, was einen wesentlich performanteren und zuverlässigen Betrieb ermöglicht. Sie gestattet es auch, die bisherige Praxis von Überdimensionierung abzubauen, die aufgrund fehlender Kenntnis über die tatsächliche Beanspruchung und den Gesundheitszustand der Systeme nötig ist. Als Folge dieser Steigerung an Integration und Intelligenz in der Leistungselektronik konnten die Chipgrößen sinken, sodass pro Halbleiterwafer mehr Endanwendungen beliefert werden. Die Verschwendung von Material und Energie wird so verringert. PowerizeD erarbeitete zudem einen Lösungsvorschlag, der am Beispiel von Elektronik ein großes Problem der Digitalisierung insgesamt behebt, nämlich den Konflikt zwischen möglichst umfassendem Informationsaustausch einerseits, und dem berechtigten Interesse nach Vertraulichkeit andererseits. PowerizeD griff dazu den neuartigen Ansatz des "Federated Learning" auf. Durch Aggregation der Informationen an ihrer Entstehungsstelle können jetzt Daten erzeugt werden, die zwar sehr gut Auskunft über die Betriebsumstände und zum Zustand der Leistungsschalter geben, daraus aber keine Rückschlüsse auf das Verhalten und das Profil der Endnutzer mehr zulassen. Diese Daten enthalten also die benötigten Informationen, erfüllen aber gleichzeitig auch alle Anforderungen der Datenschutzgrundverordnung (DSGVO), d.h. sie entsprechen der europäischen Position beim Schutz der digitalen Privatsphäre. Dieser Ansatz, die nötigen Informationen frei weiterzugeben, ohne dabei auch schützenswerte Sachverhalte offenzulegen, wurde in PowerizeD noch für eine weitere Innovation genutzt, nämlich für die kollaborative Optimierung der Leistungsschalter entlang der Wertschöpfungskette. Von den Vollversionen der digitalen Zwillinge, mit denen die Optimierung der Komponenten bei deren Hersteller virtuell und somit wesentlich schneller als allein mit praktischen Tests erfolgen konnte, wurden durch den Komponenten-Hersteller kompakte Versionen abgeleitet, die das Verhalten unter allen spezifizierten Test- und Betriebsbedingungen nachstellen können, dabei aber das wertvolle IP nicht preisgeben, das zur Entwicklung der Komponente nötig war. Somit konnten diese kompakten digitalen Zwillinge an die Partner entlang der Wertschöpfungskette frei weitergegeben werden, wodurch Doppelarbeit durch Komponenten- und Modulhersteller etwa durch Nachsimulieren vermieden werden kann. Aufgrund der umfangreichen Aufgaben wurde die Innovation Action (IA) PowerizeD wurde von einem großen europäischen Konsortium mit mehr als 60 Partnern bearbeitet (s. Liste der Konsortialpartner im Anhang). Die Koordination des Konsortiums, auch des deutschen Sub-Konsortiums erfolgte durch Infineon Technologies AG (IFAG). Das deutsche Konsortium in PowerizeD gewährleistete Effektivität in der Forschung und Ausführung der Ergebnisse und deckte die gesamte Wertschöpfungskette ab. Ein wichtiger Eckpfeiler war die Marktrelevanz, die durch das Ranking der großen Konsortialpartner wie Mercedes Benz AG, Robert Bosch GmbH und IFAG auf dem Weltmarkt unterstrichen wurde. Neben der Koordination und dem Management des Gesamtprojekts konzentrierten sich die Aktivitäten von IFAG in erster Linie auf die Entwicklung von neuartigen intelligenten Komponenten und Modulen für die Leistungselektronik und die Belieferung von die Tier-1-Partnern im Projekt mit den innovativen Komponenten und Modulen. Im Vordergrund standen neue Silizium-Carbid (SiC) Leistungsmodule für Inverterapplikationen, die sich durch erhöhte Strombelastbarkeit, Batterieauslastung, Schaltleistung und Leistungsdichte bei gleichzeitiger Reduzierung der Schalt- und Leitungsverluste auszeichnen. Ein weiterer Schwerpunkt bildeten die Arbeiten an der nächsten Generation von Gatetreibern für ein neues Niveau an Steuerbarkeit und Robustheit der Leistungsschalter. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass sämtliche der herausfordernden technischen und koordinativen Aufgaben seitens Infineon Technologies AG vollumfänglich und ohne Abweichungen zum Zeitplan erreicht wurden. Das Projekt PowerizeD konnte im Rahmen des Final Reviews, das vom 25-26.02.2026 stattfand, mit großem Erfolg abgeschlossen werden.