“Cool Silicon“: Neues Forschungsvorhaben verbessert die Effizienz von Leuchtmitteln und Elektromotoren

Auch durch spezielle Ansteuer-Schaltungen für Elektromotoren lässt sich der Stromverbrauch deutlich weiter reduzieren. Diese Einsparmöglichkeiten will das Projekt Cool Drivers erschließen. Unter Federführung der Dresdner Tochter des Erfurter Halbleiterunternehmens X-FAB Semiconductor Foundries entwickeln die Forscher in drei Teilprojekten integrierte Motorsteuerungen, integrierte LED-Ansteuerungen sowie die dafür erforderlichen Halbleiter-Bauelemente und Fertigungsprozesse.

Cool Drivers ist ein Bestandteil des Spitzenclusters „Cool Silicon“ in Sachsen und wird im Rahmen des Förderprogramms IKT 2020 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Für das Vorhaben wurden über einen Zeitraum von drei Jahren Fördermittel von etwa 1 Million Euro bewilligt. Ziel des BMBF ist es, durch die Förderung von Forschungsvorhaben Beiträge zur Steigerung der Energieeffizienz in vielen volkswirtschaftlich wichtigen Bereichen zu liefern, um damit zukünftig zu deutlichen Energieeinsparungen zu kommen.

Um die Energieeffizienz von Leuchtmitteln und elektromotorischen Anlagen zu verbessern, gibt es verschiedene Ansätze, die in dem Projekt Cool Drivers untersucht werden sollen. „Eine Erhöhung des Wirkungsgrades ist bereits durch einen optimierten elektronisch geregelten Leistungsfluss vom Netz zum Verbraucher zu erreichen“, erläutert Projektkoordinator Roberto Gärtner, Director Process Characterization bei der X-FAB Group den Ansatz. Die Forscher beschäftigen sich zudem mit der Reduktion von Koppelverlusten in Mehrantriebssystemen durch eine schnelle und echtzeitfähige Kommunikationstechnik und suchen nach Wegen zur Minimierung des Eigenverbrauchs der Leistungselektronik durch eine optimierte Integration und Partitionierung der einzelnen Komponenten. Die komplexen Regelalgorithmen, die die Forscher entwickeln, werden mittels einer Ultra-Low-Power-Technologie integriert und mit der Ansteuerelektronik sowie den Kommunikationskomponenten als Multi-Chip-Modul demonstriert. Dabei übernehmen die beteiligten Projektpartner klar umrissene Aufgabenpakete.

Die X-FAB Dresden GmbH & Co. KG, Dresden, ist für die Koordination des Projektes Cool Drivers verantwortlich. Der Chiphersteller entwickelt zudem Verfahren für den Entwurf und die Fertigung der Elektronikbausteine, die in dem Projekt entstehen werden. X-FAB wird die von den übrigen Partnern entwickelten Chips produzieren und ihre Zuverlässigkeit untersuchen.

Die PE GmbH aus Kesselsdorf bei Dresden wird einen Spezialchip (ASIC) entwerfen, der die bisher üblichen Vorschaltgeräte für Leuchtdioden (LED) ersetzen und damit ihre Nachteile beseitigen soll. Denn die bislang gebräuchlichen Schaltnetzteile verursachen auf der Energieversorgerseite Störstrahlung im jeweiligen Hausstromnetz. Bei Leuchtmitteln über 25 Watt ist eine sogenannte Leistungsfaktorkorrektur (PFC) gesetzlich vorgeschrieben, die diese unerwünschten Nebenerscheinungen verhindert. Das Problem: Die Leistungen von Energiespar- und LED-Leuchten bleiben in aller Regel unterhalb dieser gesetzlichen Grenze.

Die Idee der Dresdner Forscher: Die Konstantstromerzeugung für LED-Beleuchtungen gleich mit der Leistungsfaktorkorrektur verbinden – und zwar in einem Schaltkreis, der obendrein mit einer Kommunikationsfunktion ausgestattet wird. Dadurch wird eine Steuerung der LED-Lampe über das konventionelle Leitungsnetz möglich. Sie kann über diesen „digitalen Schalter“ ein- und ausgeschaltet sowie gedimmt werden. Damit wird auch der Einsatz von LED-Beleuchtungen in normalen Lampensockeln denkbar. Die PE GmbH wird mit der Technologie von X-FAB einen solchen Chip entwickeln und im Anschluß an das Projekt zur Marktreife führen.

Die DMOS GmbH, Dresden, die MAZ Brandenburg, Berlin und die Technische Universität (TU) Dresden, speziell der Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie, werden gemeinsam eine innovative Lösung zur Ansteuerung von Elektromotoren entwickeln. Sie kombiniert Aktor, Sensor und Prozessor in einem Hybrid-Chip, und bewirkt damit, dass die Regelgenauigkeit etwa um einen Faktor 10 gegenüber den bisher verfügbaren Lösungen ansteigt.

Doch die Wissenschaftler wollen nicht nur für einzelne Motoren eine bessere Regelung erarbeiten. Im Maschinen- und Anlagenbau ist es oftmals sinnvoll, mehrere Motoren − Fachleute sprechen auch von „Achsen“ − synchron bzw. mit einer bestimmten Zeitgenauigkeit zu regeln. Eine typische Anwendung stellen z.B. Zeitungsdruckmaschinen mit über 100 Achsen dar, aber auch jeder Roboter und jede Bandstraße sind mit solchen Achsen ausgestattet.

Für die „Echtzeitprogrammierung“ wird sich nach übereinstimmender Meinung aller Fachleute im industriellen Bereich in Anlehnung an die Computerbranche Ethernet als Standard durchsetzen. Alle zukünftigen Netze im Bereich der Automatisierung werden dann auf der Ethernet-Technologie des „Point to point“-Transfers beruhen. Das gilt auch für die Synchronisation mehrerer Motoren untereinander. Im Projekt Cool Divers werden die beteiligten Experten daher die branchenüblichen Kommunikationsprotokolle entsprechend weiterentwickeln.

Die Hardware für die Motoransteuerung wird aus mehreren CPU's bestehen, die über einen sogenannten „Switch“ miteinander kommunizieren. Zu dieser Hardware müssen jedoch auch die entsprechenden Softwaretreiber für die verschiedenen Aufgaben entwickelt werden. Der größte Teil dieser Treiber wird in Flash-Komponenten für die jeweilige CPU abgelegt werden. Als Ergebnis des Forschungsprojektes Cool Drivers werden zudem zwei Chips zur Verfügung stehen, die durch die Partner DMOS und MAZ entwickelt werden und die in einem einzigen Gehäuse – oder für entsprechende Leistungsvarianten auch getrennt – am Markt angeboten werden können. Trotz der erheblich höheren Regelgenauigkeit vermuten die Partner, dass es möglich sein könnte, diese Lösung kostengünstiger umzusetzen, als dies derzeit mit Standardbauelementen möglich wäre.

Über X-FAB
Die X-FAB-Gruppe ist die führende analog/mixed-signal Foundry und fertigt im Kundenauftrag Siliziumwafer für analog-digitale integrierte Schaltkreise (mixed-signal ICs). Das Unternehmen verfügt über Waferfabriken in Erfurt und Dresden (Deutschland), Lubbock (Texas, US) und Kuching (Sarawak, Malaysia) und beschäftigt rund 2.400 Mitarbeiter weltweit. Die Wafer werden auf der Grundlage hochmoderner modularer CMOS- und BiCMOS-Prozesse in Technologien von 1,0 bis 0,13 Mikrometern gefertigt. Hauptanwendungsgebiete sind der Automobil-, Kommunikations-, Konsumgüter- und Industriebereich. Weitere Informationen unter www.xfab.com.

Über die DMOS GmbH
DMOS ist ein Dresdener Unternehmen mit 40 Ingenieuren und entwickelt seit 2002 Chips und Baugruppen für den Automobil- und Industriebereich. Zum Produktportfolio gehören Motor-Ansteuer-ICs, ICs für Sensor-Applikationen, Bus Treiber-ICs und spezielle System-on-chip-Lösungen für Kunden weltweit.

Über MAZ Brandenburg
MAZ Brandenburg wurde vor 16 Jahren als Asic-Design-Zentrum im Umfeld der TU Berlin gegründet. Mit 24 Diplomingenieuren werden zzt. ca. 8 – 10 Entwürfe pro Jahr realisiert. Die Firma versteht sich als Partner der deutschen Industrie für fortschrittliche hochintegrierte Systemlösungen. Entsprechende ASIC-Projekte kommen zum überwiegenden Teil aus den Bereichen Industrieautomatisierung und Automobilbau.

Über die PE GmbH
Productivity Engineering GmbH ist ein Fabless IC Supplier. Das Unternehmen entwickelt und vermarktet kundenspezifische und applikationsspezifische Integrierte Schaltkreise für Kunden weltweit im Bereich der Automatisierungstechnik, RFID, Sensorsignalerfassung und Konditionierung und für Smart Power Anwendungen.

Über die Technische Universität Dresden/Lehrstuhl für Schaltungstechnik und Netzwerktheorie
Der Lehrstuhl für Schaltungstechnik widmet sich dem Entwurf und der Modellierung von integrierten Schaltungen in CMOS, BiCMOS und III/V Technologien sowie in zukunftsweisenden „Beyond Moore“ Nano-Technologien. Der Fokus liegt auf dem Bereich der analogen und Mixed-Signal Schaltungstechnik. Weitere Arbeitsgebiete umfassen den Entwurf von FPGA, PCBs und Hybridaufbauten, die digitale Signalverarbeitung und Algorithmen für komplette Informationssysteme. Zu den Anwendungen gehören Hochfrequenzsysteme, die drahtlose Kommunikation im Niederfrequenzbereich bis hin zu 220 GHz, die optische Datenübertragungen bis maximal 80 Gbit/s, hochgenaue Positionierungssysteme, energieadaptive Systeme mit intelligenten, dynamischen Regelungen und Aufwachtechniken sowie Energy-Harvesting.

Über Cool Silicon:
Cool Silicon ist ein mehrjähriges Forschungsprojekt, das im Rahmen der Spitzencluster-Initiative des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert wird. Über 60 Unternehmen und Forschungseinrichtungen im Silicon Saxony haben sich in dem Projekt zusammengeschlossen, um in den nächsten Jahren Technologien zu entwickeln, die den Energieverbrauch von Mikrochips und Informationstechnologien deutlich senken sollen.
Mehr Informationen: www.cool-silicon.org und unter: www.spitzencluster.de

Pressekontakt:
Robert Weichert, Telefon: 0351 / 50 14 02 02, 0151 / 41 92 46 64, E-Mail: robert.weichert@pr-piloten.de
Ulf Mehner, Telefon: 0351 / 50 14 02 02, 0172 / 893 53 17, E-Mail: ulf.mehner@pr-piloten.de

Für Rückfragen zum Projekt:
Cool Silicon e.V.
c/o Silicon Saxony Management GmbH
Herr Thomas Reppe
Manfred-von-Ardenne-Ring 20
01099 Dresden
Germany