Ausstattung

 

Das PGS bietet eine Vielzahl von technischen Geräten für verschiedene Projekte, die entweder öffentlichfinanziert oder in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie durchgeführt werden. Für diese Projekte werden leistungsfähige Computer mit Software für die Simulation ausgestattet und zur Konstruktion von elektrischen Maschinen und Halbleiterbauelementen eingesetzt. Zusätzlich werden in dem Fall von sehr komplexen und rechenintensiven Anwendungen die High-Performance-Computer-Cluster der RWTH Aachen zur Reduzierung der Simulationszeit eingesetzt.

  Reinraum Urheberrecht: © Peter Winandy Reinraum des PGS

Reinraum

Seit Ende des Jahres 2003 verfügt das PGS zusammen mit zwei weiteren Instituten über einen modernen Reinraum mit einer Gesamtfläche von 750 m². In Kooperation mit dem Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik I (IWE I) stehen dem PGS dort alle notwendigen Prozesse zur Herstellung von leistungselektronischen Bauelementen zur Verfügung. Moderne Nassbänke, die aus Ausstattungsmitteln des Landes Nordrhein-Westfalen beschafft werden konnten, ermöglichen die Waferreinigung durch den Einsatz von Megaschallreinigungsbecken. Zusätzlich können an diesen Bänken nasschemische Ätzprozesse durchgeführt werden. Zur Strukturierung der Wafer dient das lithographische Labor, das mit einem Belichter der Firma Süß ausgestattet ist. Außerdem steht dem PGS eine moderne Diffusionsanlage zur Verfügung, mit deren Hilfe die für die Leistungselektronik typischen tiefen Diffusionen durchgeführt werden können. Zur Metallisierung der Wafer stehen zwei Sputter - sowie eine Aufdampfanlage zur Verfügung. Zusätzlich kann auch auf die Aufbau- und Verbindungstechnik des IWE I zurückgegriffen werden. Dort stehen die Standardprozesse zum Aufbau von Leistungsmodulen zur Verfügung. Dazu gehören neben Reflow-Öfen, Dick- und Dünndrahtbonder auch Einrichtungen zur Herstellung von Flip-Chip gebondeten Halbleitern. Insgesamt verfügt das PGS damit über ein komplett ausgestattetes Halbleiterlabor, in dem neue leistungselektronische Bauelemente hergestellt und außerdem auch neue Packaging-Technologien entwickelt werden können.

Kaloriemetrisches Messsystem

Zur Effizienzmessung von Umrichtersystemen mit sehr hohem Wirkungsgrad ist die Messgenauigkeit von Strom- und Spannungsmessgeräten prinzipbedingt unzureichend. Um dennoch eine genaue Kenntnis des Wirkungsgrades zu erhalten, wird eine kaloriemetrische Bestimmung der Verlustleistung durchgeführt. Bei der kaloriemetrischen Messung wird anstelle der elektrischen Größen die abgegebene Wärme des zu testenden Systems bestimmt. Die relative Genauigkeit der Verlustleistungsmessung beträgt bei 25°C Umgebungstemperatur in einem Verlustleistungsbereich von 15 bis 600 W ca. 2 %. Die Umgebungstemperatur des zu vermessenden Systems kann von 25°C bis 60°C verändert werden.

Software Werkzeuge

  • Matlab/Simulink

Matlab wird für vielfältige numerische Berechnungen eingesetzt. Insbesondere die Möglichkeit eigene Funktionen zu schreiben und einfach zu handhabende Schnittstellen für andere Programme zur Verfügung zustellen, sind ein Vorteil von Matlab. In Verbindung mit der graphischen Simulink Oberfläche können in kürzester Zeit Simulationsmodelle erstellt werden. Durch die Möglichkeit berechenintensive Funktionen als „C-Code S-Functions“ zu realisieren, können auch komplexe Simulationsmodelle berechnet werden. Das ISEA verfügt desweiteren über eine eigene Bibliothek für Simulink-Funktionen und Matlab, um die Entwicklungszeiten für Simulationsmodelle im Bereich der Leistungselektronik gering zu halten. Dies schließt auch Subsysteme für die XCS 2000 von AixControl für das Rapid Prototyping mit ein.

  • PLECS

PLECS ist eine weitere Toolbox für Matlab/Simulink, die es ermöglicht elektrische Schaltkreise in Simulink mit Hilfe einer graphischen Oberfläche simulieren zu können. PLECS (Piece-wise Linear Eletrical Circuit Simulation) berechnet aus den verknüpften elektrischen Ersatzschaltbild-Elementen State-Space Matrizen, die über effiziente S-Functions diskret oder zeitkontinuierlich gelöst werden. Damit lassen sich zum Beispiel Wechselrichtersysteme in kurzer Zeit erstellen, die dann in Simulink eingebunden werden können.

  • PSPICE PSPICE

Als PC-Version des Simulationsprogramms SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) wird am PGS verwendet, um elektronische Schaltungen zu simulieren. Mit Hilfe einer graphischen Oberfläche kann der Schaltplan erstellt und mit Software Oszilloskopen der transiente Verlauf analysiert werden.

  • Ansys

Für FEM-Berechnungen aller Art wird am ISEA auf ANSYS zurückgegriffen. Mit dem Programm lassen sich sowohl zwei- als auch dreidimensionale elektromagnetische, strukturelle und thermische Simulationen durchführen. Durch die Möglichkeit den Hochleistungsrechnerclusters des Rechenzentrums der Hochschule zu benutzen sind auch komplexe Modelle möglich.

  • MathCad

Mit Hilfe von MathCad werden sowohl numerische, symbolische als auch analytische Berechnungen durchgeführt, die miteinander verknüpft werden können. Neben diesem großen Vorteil können die Berechnungen mit formatierten Textbemerkungen versehen werden um die Berechnungen zu dokumentieren. Benutzt wird MathCad als Allzweck-Berechnungswerkzeug vom einfachen Curve-Fitting bis hin zu komplexen Netzwerk-Auslegungen.

  • Maple

Maple wird ähnlich wie Mathcad für Berechnungen aller Art verwendet. Der Schwerpunkt liegt hierbei in der analytischen als auch symbolischen Berechnung.

  • LabView

Mit Hilfe von Labview lassen sich komplexe Prüfstandssteuerungen auf graphische Weise in kürzester Zeit programmieren. Eine große Auswahl an Hardware, die von Labview angesteuert werden kann, unterstützt kurze Entwicklungszeiten. Die so entwickelte Software kann zu einem Softwarepaket kompiliert werden, welches unabhängig von Labview auf jedem PC lauffähig ist.

  • VHDL und DSP Programmierumgebungen

Auch im Bereich der VHDL-Programmierung und DSP- und Microcontroller-Softwareentwicklung besitzt das PGS Erfahrung. Anfgefangen hat dies mit der vielfältig eingesetzten ISEA-DSP Karte und dem eingesetzten C166 bis hin zu komplexen zeitkritischen Umrichtersteuerungen und Regelungen.

  • Eagle

Mit Eagle können Schaltpläne erzeugt werden, aus denen in einem zweiten Schritt das Platinenlayout erstellt werden kann. Bei der Schaltplanerstellung werden bereits die Bauelemente mit Bauform, Größe und Rastermaß ausgewählt, um diese auf der Platine entsprechend positionieren zu können. Auch dafür stehen am PGS viele Zusatzbibliotheken zur Verfügung.