Infineon's Power Semiconductor Lab erlebt doppelten Erfolg - Höhere Durchsatzleistung und ultrahohe Präzision mit B

Einführung: Die kostspielige Engstelle, die Leistungshalbleiterlaboratorien plagt

Das Leistungszyklustesten ist für Elektromobilitäts-Wechselrichter, Windenergieumrichter, Eisenbahnantriebe und Solarleistungsmodule unverzichtbar. Aber hier ist die harte Wahrheit: Leistungszyklusteststände gehören zu den größten Kapitalausgaben im Innovationszentrum von Infineon in Warstein, Deutschland.

Jedes Leistungsmodul (mit Strömen von einigen Ampere bis zu 3.000 A) muss zuerst eine TC-Temperaturcharakteristikkalibrierung durchlaufen. Diese Kurve bestimmt die Junctiontemperatur – die Kernmetrik für alle Zuverlässigkeitstests. Vor Jahren gründete sich Infineon auf vollständig manuelle Kalibrierstationen, und die Probleme häuften sich schnell:

• Über 1 Stunde manuelle Einrichtung pro Testbatch

• Risiko menschlicher Fehler beim Protokollieren von Spannung/Strom

• Kein über Nacht unbegleitetes Betrieb

• Langsames Abkühlen des Ofens, was nachfolgende Testläufe verzögert

Das Laborteam wusste, dass es eine vollständige Automatisierungsüberholung brauchte, und Beckhoffs offener PC-basierter Steuerungssatz wurde ihre wegweisende Lösung.

Der automatisierte Teststand-Stack: Wie TwinCAT + EtherCAT die Präzisionsgrenzen gebrochen haben

1. Messkern mit hoher Auflösung: ELM3xxx EtherCAT-Terminals

Das Star-Hardware hier ist das ELM3102-0100 EtherCAT-Messterminal, das eine 24-Bit-Auflösung und eine Messgenauigkeit von 0,01 % bietet. Während der Kalibrierung befinden sich bis zu 32 Leistungsmodelle in temperaturkontrollierten Öfen, die über TCP/IP + TwinCAT geregelt werden. Sobald das thermische Gleichgewicht erreicht ist, erfasst das Terminal die Kontaktspannungen der Module mit unvergleichlicher Konsistenz – die Kalibrierungs-Referenzdaten stimmen mit den Referenzstandardwerten bis auf sechs Dezimalstellen überein.

2. Flexible Stromsteuerung für alle Modultypen

Beckhoff EL2596 LED-Ansteuerterminals liefern einen einstellbaren Messstrom von 10 mA bis 500 mA und werden mit EL9560 Leistungsterminals zur Kanalisolierung kombiniert.

• Feineinstellung der Präzision: ±0,1 mA über Shuntwiderstände

• Eingeborene Kompatibilität mit speziellen Niedrigstrommodulen, die nur 1 mA Eingangsstrom benötigen

• Funktioniert nahtlos mit Dioden, IGBTs und SiC-MOSFETs ohne aufwändige Neukonfiguration

3. Nahtlose TwinCAT ↔ LabVIEW-Synergie

Das gesamte System läuft auf CX5140-Eingebetteten Controllern mit zwei parallelen Laufzeitumgebungen:

1. TwinCAT 3 zur Steuerung des Ofens, der I/O und des Stroms in Echtzeit

2. LabVIEW Runtime zur Datenvisualisierung, Kurvenberechnung und Laborbetrieb

Die TF3710 TwinCAT 3-Schnittstelle für LabVIEW fungiert als bidirekte Datenbrücke. Ingenieure behalten ihren gewohnten LabVIEW-Arbeitsablauf bei, während sie alle Hochgeschwindigkeits-EtherCAT-Echtzeitsignale von TwinCAT zugreifen können – ohne Kompromisse bei der Bequemlichkeit der Lab-Software oder der Leistung der industriellen Steuerung.

Reale Gewinne im Labor: Zahlen, die für sich sprechen

Nach der vollständigen Implementierung sah das Testlabor von Infineon in Warstein umfassende Verbesserungen im Betrieb:✅ 1 Stunde Einsparung bei der manuellen Einrichtung pro Testzyklus✅ Verdreifachung der täglichen Testleistung: 2 volle Chargen statt 1✅ Überwachungsloses Testen über Nacht reduziert die Leerlaufzeit der Geräte drastisch✅ Die von TwinCAT gesteuerte Ofentürbetätigung beschleunigt die Abkühlung und beschleunigt den Chargenwechsel✅ Deutlicher Anstieg der OEE (Gesamtauslastung der Geräte) für kapitalintensive Testhardware

Für ein Labor, das als interner Dienstleister für die Forschungs- und Entwicklungs-Teams fungiert, bedeutet ein höherer Durchsatz, dass strenge Fristen für die Lieferung von Prototypen eingehalten werden können, ohne die Testgenauigkeit zu opfern.

Kollaborative Anpassung und zukünftige Erweiterung

Dieses Projekt war nicht einfach nur die Installation von Standard-Hardware – eine enge gemeinsame Entwicklung zwischen Infineon und Beckhoff ermöglichte maßgeschneiderte Leistungserhöhungen. Selbst eine zehnfache Steigerung der Steuerpräzision wurde über Standard-Firmware-Updates umgesetzt, wodurch kostspielige Neukonstruktionen der maßgeschneiderten Hardware vermieden wurden. Der komplette Steuerungsschrank hat die obligatorische CE-Zertifizierung bestanden, eine kritische Anforderung für Automobilhalbleiterlieferanten.

Die Upgradestrategie ist bereits festgelegt:

1. Automatisches Abrufen der TC-Kurvendaten aus einer zentralen Datenbank über die Modul-ID, wodurch die manuelle Datenabfrage von Stromzyklusprüfständen entfällt

2. Installation von zwei weiteren identischen automatischen Prüfständen (jeweils mit Unterstützung für 24 Module gleichzeitig), wobei einer in Infineons Produktionsstätte in Ungarn installiert wird

Zusammenfassung: Warum die PC-basierte Steuerung in Halbleiterprüfungen dominiert

Die Zuverlässigkeitsprüfung von Halbleitern erfordert zwei widersprüchliche Prioritäten: Flexibilität der Labortechniksoftware und ultastabile, hochpräzise Echtzeitsteuerung. Traditionelle geschlossene PLC-Systeme haben Schwierigkeiten, beides auszubalancieren.

Beckhoffs offene PC-Architektur, die EtherCAT-Hochauflösungs-E/A und die TwinCAT-LabVIEW-Integration beseitigen diesen Kompromiss. Für Infineon führte das Upgrade sowohl zu einem Sprung in der Laboreffizienz als auch zu einer Kalibriergenauigkeit von Goldstandard – ein Leitfaden für Leistungshalbleiterprüfungen weltweit, die die Validierung von EV- und erneuerbaren Energiekomponenten skalieren.