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24 2025 Elektronik 21 Mess-Prüftechnik Die Elektronikbranche erlebt derzeit einen regelrechten Boom im Bereich der Leistungselektronik Getrieben durch die steigende Nachfrage nach energie effizienten und kompakten Lösungen in Branchen wie Elektromobilität erneu erbaren Energien Industrieautomation und Smart Grids verschiebt sich der Fokus der Entwickler immer stärker auf innovative Halbleitertechnologien Während Silizium über Jahrzehnte der Standard war setzen sich zunehmend neue Materialien wie Siliziumkarbid SiC und Galliumnitrid GaN durch Diese modernen Halbleitermaterialien ermöglichen höhere Schaltfrequenzen geringere Schaltverluste und kompak tere Bauformen als je zuvor Sie sind die treibende Kraft hinter effiziente ren Wechselrichtern schnelleren Lade geräten und leistungsstarken Antriebs systemen Neue Herausforderungen für die Messtechnik Doch mit diesen technologischen Fortschritten wachsen auch die Her ausforderungen für die Messtechnik Die Erfassung und Analyse schneller hochdynamischer Signale bei gleich zeitig hohen Spannungen und Strömen erfordert spezialisierte Testausrüstung Klassische Oszilloskope und Standard-Tastköpfe stoßen bei der Analyse von SiCund GaN-Schaltungen oft an ihre Grenzen Die hohe Signalgeschwindig keit die Notwendigkeit zur genauen Erfassung kleinster Details und die sichere Messung an potenzialbehafte ten Schaltungen verlangen nach inno vativen Lösungen in der Messtechnik Hier kommen moderne 12-Bit-Oszillo skope und optisch isolierte Hochspan nungs-Differenztastköpfe ins Spiel die speziell für diese Anforderungen ent wickelt wurden Eigenschaften und Vorteile von Wide-Bandgap-Komponenten Um die besonderen Herausforderungen beim Einsatz moderner Messtechnik zu verstehen ist es wichtig zunächst die Eigenschaften von Wide-Bandgap-WBG -Komponenten zu betrachten Diese Bauelemente wie etwa SiCund GaN-Halbleiter zeichnen sich durch spezifische Materialeigenschaften aus die einen deutlich schnelleren Wechsel zwischen den Schaltzuständen »offen« und »geschlossen“ ermöglichen In der Praxis bedeutet dies dass sowohl die Anstiegsals auch die Abfallzeiten der Schaltsignale wesentlich kürzer sind als bei herkömmlichen Halbleitern Durch diese verkürzten Schaltzeiten lassen sich wesentlich höhere Schalt frequenzen realisieren Das wiederum eröffnet die Möglichkeit in Leistungs wandlern und anderen Anwendungen kleinere Induktivitäten und Konden satoren einzusetzen Das Resultat sind kompaktere Systeme die sich zudem oft kostengünstiger realisieren lassen weil weniger Bauraum und Material benö tigt werden Ein weiterer entscheidender Vorteil der WBG-Technologie ist die erhöhte Span nungsfestigkeit der Bauelemente Dank dieser Eigenschaft können WBG-Kom ponenten bei gleicher Baugröße auch in Anwendungen mit höheren Span nungen eingesetzt werden Bleibt die Betriebsspannung unverändert kann die Baugröße des Schalters deutlich reduziert werden Das trägt zusätzlich zur Miniaturisierung und Effizienz steigerung moderner leistungselektro nischer Systeme bei Wie und wo werden WBG-Halbleiter eingesetzt? Im Zentrum jedes Konverters oder Inverters befindet sich die »Schalt zentrale« Hier findet die eigentliche Umwandlung DC AC AC DC DC DC und Regelung Ausgangspegel statt Diese Schaltungen bestehen meist aus Halboder Vollbrücken die mit leis tungsstarken Transistoren wie MOS FETs IGBTs oder neuerdings mit SiC oder GaN bestückt sind und von Gate-Treibern angesteuert werden Die Tran sistoren schalten Strompfade mit hoher Frequenz ein und aus und steuern so gezielt den Energiefluss – und somit die Umwandlung und den Ausgangspegel bzw -strom Durch die Kombination mit Treiberund Schutzschaltungen Regelsyste men für Strom und Spannung sowie Filterund Speicherelementen entsteht eine präzise kontrollierbare Leistungs stufe Die Qualität dieser Stufe wirkt sich unmittelbar auf Effizienz Reak tionsgeschwindigkeit und Zuverlässig keit des Gesamtsystems aus Die »Halbleiterschalter« bilden also das elektrische Herz eines Konverters oder CMRR vs Frequenz einer optisch isolierten Probe CMRR vs Frequenz Standard Probe Konverter vereinfacht mit Messpunkten