Sicherheit und Verteidigung

Leistungshalbleiter und Leistungselektronik: Schlüsseltechnologien für geopolitische Souveränität und technologische Resilienz

Hocheffiziente und robuste Leistungselektronik ist der zentrale Wegbereiter für eine Vielzahl von Anwendungen und Einsatzfeldern in sicherheitsrelevanten Bereichen und ihre Verfügbarkeit ist ein entscheidender strategischer Vorteil.

Das Alleinstellungsmerkmal des Fraunhofer IISB ist unser breites Portfolio – beginnend beim Halbleitergrundmaterial über die Bauelementtechnologie und Modultechnik bis hin zum integrierten leistungselektronischen Gesamtsystem. Diese durchgängige In-house-Expertise ermöglicht die schnelle und bedarfsgerechte Realisierung maßgeschneiderter Leistungselektronik für die Themen Sicherheit, Vorbeugung und Verteidigung. Das Fraunhofer IISB bietet damit eine vollständige resiliente technologische Wertschöpfungskette auf den Gebieten der Halbleitertechnik und leistungselektronischen Systeme.

In nationalen und europäischen Kooperationen mit öffentlichen Institutionen, Forschungspartnern und der Sicherheits- und Verteidigungsindustrie leisten wir unseren Beitrag zur Technologiesouveränität und treiben die Adaption wissenschaftlicher Innovationen sowohl für zivile als auch militärische Einsatzszenarien voran, z. B. in den Bereichen Mobilität und Transport, stationäre und mobile Energieversorgung oder automatisierte Fahrzeuge für Land, See, Luft und Weltraum.

© Daniel Karmann / Fraunhofer IISB
Mittelspannungs-MMC: Modularer Multilevel-Umrichter (MMC) zur Emulation von Mittelspannungsverteilnetzen. Mit dem MMC-Netzemulator können leistungselektronische Komponenten für lokale Smart Grids sowie stabile Energienetze getestet und optimiert werden.

Hightech-Infrastruktur für technologischen Vorsprung

Auf mehreren tausend Quadratmetern Laborfläche bieten wir eine einmalige Technologieinfrastruktur. Dazu zählen ein eigenes Hochleistungsrechencluster, verschiedene Kristallzüchtungs- und Epitaxieanlagen für (U-)WBG- und Verbindungshalbleiter, zwei 200-mm-kompatible Reinräume mit durchgehender CMOS-Technologie für Silizium und Siliziumkarbid vom Front- bis zum Backend, Analytik- und Charakterisierungslabore sowie ein AVT-Labor für Modulaufbau und Test- und Zuverlässigkeitsprüfungen.

Auf Systemseite verfügt das Institut über eine eigene Mechanikwerkstatt, ein Wasserstoff- und Brennstoffzellenlabor, verschiedene Elektroniklabore mit Schwerpunkt auf hocheffiziente Umrichter, elektromotorische Antriebe sowie Luftfahrt- und Kryoleistungselektronik, Labore für Gleichstromtechnik und Gleichstromnetze, ein Batterielabor, ein separates Testzentrum für Elektrofahrzeuge inkl. EMV-Kammer, Fahrzeug- und Motorenprüfstand, eine Fahrzeugmanufaktur, Feiflächen für wetterfeste/seetaugliche Prüfaufbauten und eine 200 m² große Mittelspannungshalle bis 30 kV und 20 MVA mit speziellen Test- und Prüfeinrichtungen für hybridelektrische Antriebsstränge. Ebenso nutzen wir unseren gesamten Institutskomplex als Reallabor für Sektorenkopplung und neuartige Energiesysteme, einschließlich Photovoltaik, Batterieaußenlabor und umfassender Ladeinfrastruktur.

Spezialgebiete entlang der Wertschöpfungskette für Elektroniksysteme am Fraunhofer IISB

© Daniel Karmann / Fraunhofer IISB
Das Fraunhofer IISB entwickelt maßgeschneiderte Halbleiterlösungen für elektronische Spezialbauelemente – vom Grundmaterial bis zur Prototypenserie.

Halbleiterlösungen für kompakte Sicherheits- und Verteidigungssysteme

Wir legen den Schwerpunkt in den Bereichen Sicherheit und Verteidigung auf die Einführung von (Ultra-)Wide-Bandgap-Halbleitern und hochqualitativen Halbleitersubstraten, z.B. für neuartige Sensorik und elektronische Hochleistungsbauelemente. Mittlerweile etablierte Wide-Bandgap-Materialien (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) haben neue Anwendungsbereiche und Leistungsklassen erschlossen. Mit dem Übergang zu ultrawide-bandgap-Materialien (UWBG) wie Aluminiumnitrid (AlN) eröffnen sich zusätzliche Möglichkeiten für elektronische Hochleistungsbauelemente, insbesondere unter extremen Einsatzbedingungen bei höchster Leistungsdichte, Effizienz, Robustheit und Störfestigkeit. Funktionelle Materialien, speziell für Energiespeicherung und Oberflächenvergütung, erweitern unser Leistungsspektrum.

Halbleitermaterialien, Energiematerialien und funktionelle Schichten

WBG- und UWBG Halbleiterkristallzüchtung (SiC, AlN) und Epitaxie (SiC)
Unterstützung bei der Entwicklung von Kristallzüchtungsprozessen und Charakterisierung von III-V und II-VI Verbindungshalbleitern
Hochtemperaturschutzschichten für Luft- und Raumfahrtanwendungen
Alternative Li-freie Batteriematerialien für Hochleistungsspeicher

Forschungsgebiet Materialien

Forschungsgebiet Energiematerialien und Testbauelemente

Prozesstechnologien und Spezialbauelemente

Entwicklung und Qualifizierung von Testbauelementen und Prototypen
Festkörper-Quantenbauelemente für hochempfindliche Sensoren und abhörsichere Kommunikationssysteme
Hochleistungs-LEDs und Laserbauelemente
Hochfrequenz- und Hochleistungsbauelemente
Strahlungsdetektoren inkl. IR, UV und Solar-Blind
Strahlungsharte Bauelemente für elektromagnetische Resilienz und Weltraumanwendungen
Hochtemperatur-Bauelemente
Neuartige Sicherungsbauelemente
Vorserien- und Systemdemonstration
Technologietransfer für die Volumenproduktion

Forschungsgebiet Halbleiterbauelemente

π-Fab - Prototyp-Services für elektronische Bauelemente

© Bernd Eckardt / Fraunhofer IISB
Hybridelektrischer Schiffsantrieb mit kompakten und effizienten Leistungswandlern für hohe Verfügbarkeit bei geringstem Bauraum und Gewicht.

Leistungselektronische Komponenten und (hybrid-)elektrische Antriebssysteme

Wir erforschen, entwickeln und integrieren leistungselektronische Lösungen für stationäre und mobile Anwendungen, z.B. in Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen. Unsere Systeme zeichnen sich aus durch höchste Leistungsdichte, einen herausragenden Wirkungsgrad und hohe Robustheit bei geringstmöglichem Bauraum und Gewicht. Ermöglicht wird dies durch den Einsatz von SiC- und GaN-Halbleiterbauelementen. Wir sind in der Lage, unsere leistungselektronischen Wandler auch an herausfordernde Einsatzbedingungen anzupassen, z. B. für Umgebungen mit extremen Temperaturen und höchsten Ansprüchen an Stabilität, Vibrations- und Schockbelastbarkeit. Dabei wird ein Leistungsbereich von wenigen Watt bis hin zu 20 MW und ein Spannungsbereich bis 30 kV abgedeckt.

Forschungsgebiet Leistungselektronik

Forschungsgebiet AVT und Zuverlässigkeit

Mechatronisch robuste Hochleistungswandler für mobile Anwendungen
E-Motoren und Umrichtersysteme für Traktionsantriebe und Nebenaggregate
Ultraleichte Komponenten für den Einsatz in fliegenden Systemen
Systemintegration für Hybrid- und Brennstoffzellen-Antriebsstränge
Hochintegrierte Aktuatoren für Robotik-Anwendungen
Fehlertolerante bzw. fehlerresistente Architekturen für sicherheitskritische Systeme
Aufbau und Verbindungstechnik für leistungselektronische Module mit höchster Zuverlässigkeit
Lebensdauer-Modellierung und Test elektronischer Systeme unter herausfordernden Umweltbedingungen
Auslegung, Design und Test von Hochleistungs-Pulsed-Power-Systemen

© Projekt NOMAD / Fraunhofer IISB
Im Projekt NOMAD entwickelt das Fraunhofer IISB hochflexible Batterieelektronik für den Einsatz heterogener Speichermodule zur autarken Energieversorgung im Feld (Symbolbild).

Elektronik und Intelligenz für resiliente elektrische Energieinfrastrukturen

High-End-Energieversorgungs- und Speicherlösungen für mobile und stationäre Anwendungen mit höchsten Ansprüchen an Zuverlässigkeit und Funktionalität bilden die Grundlage unserer intelligenten Energiesysteme. Dafür integrieren wir innovative Verfahren zur Zustandsüberwachung und vorausschauenden Wartung basierend auf der Echtzeit-Auswertung elektrischer Signale sowie KI-gestützter Diagnosemodelle.

Forschungsgebiet Intelligente Energiesysteme

Dezentrale, skalierbare, modulare und robuste Energieversorgung mit hoher Verfügbarkeit
Intelligente Netzknoten (netzformende Umrichter) für ausfallsichere Versorgungsnetze mit hoher Redundanz
Hochleistungs-Energieübertragungssysteme bis 3 GW auf Basis von explosionssicheren und redundanten modularen Multi-Level-Inverterzellen
Massenproduktionstaugliche alternative Batterietechnologien ohne kritische Rohstoff-Lieferketten
Design und Aufbau von stationären und mobilen Energiespeichersystemen, z.B. für bemannte und unbemannte Luft-, Wasser und Landfahrzeuge inkl. hochzuverlässiger Batteriemanagementsysteme (BMS)
Autonome, KI-gestützte Diagnose von Betriebszuständen und vorausschauende Fehlererkennung in kritischen Systemen mittels Edge-AI auch ohne sichere Datenverbindung
Auslegung, Design und Test von Hochleistungs-Pulsed-Power-Systemen und Energiespeichern
Leistungselektronische Ausfall- und Ursachenanalyse

© Fraunhofer IISB
Inverse Optimierung von Metaoberflächen mittels „conditional Generative Adversarial Nets“ (cGAN) und „Physics-Informed Neuronal Operators“ (PINO).

Modellierung, Simulation und KI für sicherheits- und verteidigungsrelevante Anwendungen

Die spezialisierte Hardware des Fraunhofer IISB wird ergänzt durch hochentwickelte digitale Lösungen. Wir modellieren, simulieren und optimieren (leistungs-)elektronische Bauteile und Systeme, insbesondere im Hinblick auf Effizienz, EMV- und Störfestigkeit, und ermöglichen die robuste Auslegung für raue Einsatzszenarien. Im Bereich Optik und Photonik bieten wir eigens entwickelte, hochpräzise und extrem schnelle Maxwell-Simulationen für ein großes Spektrum an Anwendungsgebieten an.

Forschungsgebiet Modellierung und Künstliche Intelligenz

Simulation und Optimierung von leistungselektronischen Bauteilen und Systemen bereits in der Entwurfsphase mithilfe virtueller Testszenarien
Präzise, schnelle Simulation komplexer diffraktiver Strukturen und Metamaterialien mittels eigenem Maxwell-/RCWA-Solver
Simulation und Optimierung absorbierender Beschichtungen, adaptiver Tarnstrukturen, hochauflösende Diffraktionsgitter für Sensorik sowie optische Filter und Antennenstrukturen über eine Vielzahl von Frequenzbändern mittels gekoppelter KI-Ansätze