Neues aus dem Institut

Kiel/Hamburg, 6. November 2025

Vom Chip bis zum System: Studierende tauchen in die Wertschöpfungskette moderner Leistungselektronik ein

Im Rahmen der Interdisziplinären Wochen (IDW) haben die Hochschule für Angewandte Wissenschaften Kiel und die Technische Universität Hamburg eine gemeinsame Lehrveranstaltung durchgeführt, die die gesamte Wertschöpfungskette moderner Leistungselektronik abbildet: vom Chip-Design, über das Power-Modul-Design bis hin zur Systemauslegung. Ziel war es, Studierenden einen umfassenden Einblick auf Methoden, Werkzeuge und Fertigungsschritte zu vermitteln, die für energieeffiziente, robuste und nachhaltige Leistungselektronik notwendig sind.

Nach grundlegenden Einführungen in die Thematik der Leistungselektronik entwickelten die Teilnehmenden skalierbare Halbleiterbauelemente auf Basis von Galliumnitrid. Darauf aufbauend gestalteten sie Leistungsmodule mit Fokus auf thermischem Management, Zuverlässigkeit und Produktionsprozessen. Den Abschluss bildete die Systemebene: Von Antriebs- und Ladeumrichtern bis zu erneuerbaren Energiesystemen wurden Topologien bewertet und Systeme sowie Schaltungen simuliert.

Die Kopplung von Bauelement-, Modul- und Systemdesign in einem kompakten Lehrformat ist einzigartig – sie bereitet Studierende praxisnah auf industrienahe Entwicklungsprozesse vor. Gerade bei Wide-Bandgap-Technologien zeigt sich, dass Entscheidungen auf Chip-Ebene direkte Auswirkungen auf das Modul und die Anwendung haben – und umgekehrt.

Inhalte und Methoden im Überblick

• Chip-Design: Entwurfskriterien für moderne Leistungshalbleiter (z. B. Sperrspannung, Einschaltwiderstand), Layoutprinzipien sowie Prozessschritte der Fertigung, Modellierung der Bauelementphysik.
• Power-Modul-Design: Aufbau- und Verbindungstechnik, Substratkonzepte, Kühlung, Materialauswahl, Zuverlässigkeitsaspekte.
• Systemauslegung: Aktuelle leistungselektronische Topologien für Motoransteuerungen und E-Ladesäulen, Gate-Ansteuerung.

Mehrwert für Studierende und Region

Die Lehrveranstaltung stärkt den praxisnahen Austausch zwischen Hochschulen und Industriepartnern in Norddeutschland. Studierende profitieren von gebündelter Expertise beider anwendungsorientierter Hochschulen und erlangen Kompetenzen, die unmittelbar in Entwicklungsabteilungen von Energie-, Mobilitäts- und Industrieanwendungen gefragt sind.

Ausblick

Aufgrund der positiven Resonanz ist geplant, das Format in kommenden IDW-Ausgaben zu verstetigen.

Beteiligte Lehrstühle

TUHH – Bauelemente in der Leistungselektronik

Das Institut für Bauelemente in der Leistungselektronik forscht auf dem Gebiet der aktiven Leistungshalbleiterbauelemente. Zudem werden intelligente Bauelemente für die integrierte Fehlervorhersage und neuromorphe Elektronik entwickelt. Die resultierenden Bauelemente und Technologien basieren auf Halbleitern mit großer Bandlücke sowie Silizium und adressieren Anwendungen in der Elektromobilität, erneuerbaren Energien und autonomen Industrieumgebungen.

https://www.tuhh.de/ped/

HAW Kiel –Aufbau- und Verbindungstechnologien (AVT) der Mechatronik

Das Institut für Mechatronik erforscht die Aufbau- und Verbindungstechnik leistungselektronischer Komponenten, den Einsatz von Sondermaterialien, das thermische Management sowie Strategien zur Effizienzsteigerung und Lebensdauerverlängerung von Leistungsmodulen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Anwendung neuartiger Halbleitertechnologien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN).

https://www.haw-kiel.de/fachbereiche/informatik-und-elektrotechnik/wir-ueber-uns/lehre/behrendt-bicakci-prof-dr-ing-aylin/ 

HAW Kiel – Power Electronics and Drives

Ziel der Aktivitäten in der Arbeitsgruppe Leistungselektronik und Antriebe ist es mit neuesten Technologien sowohl die Effizienz der Umrichter Systeme zu steigern, die Größe zu verringern als auch die Kosten zu minimieren. Dies wird durch den Einsatz moderner Schaltungstopologien, FEM Simulationen als auch den Einsatz neuer Wide-Bandgap Materialien erreicht. Dabei wird von der Schaltungsentwicklung bis zur kompletten Systementwicklung alles abgedeckt. 

https://www.fh-kiel.de/fachbereiche/informatik-und-elektrotechnik/elektrische-energietechnik/arbeitsgruppe-power-electronics-and-drives/

Kontakt

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit der HAW Kiel
E-Mail: presse(at)haw-kiel.de

Öffentlichkeitsarbeit und Marketing der TUHH
E-Mail: pressestelle(at)tuhh.de

17.07.2025

Prof. Dr.-Ing. Holger Kapels hält Antrittsvorlesung

Der Anteil elektrischer Energie an industriellen und gesellschaftlichen Anwendungen nimmt weltweit rapide zu. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Energieeffizienz, Leistungsdichte und Systemintegration – sowohl in Mobilitätsanwendungen, in Rechenzentren als auch in elektrifizierten Infrastrukturen. So erklärt Prof. Holger Kapels in seiner Antrittsvorlesung an der TU Hamburg: „Konventionelle leistungselektronische Komponenten stoßen dabei zunehmend an physikalische und technologische Grenzen, aber der Bedarf nach elektrischer Energie steigt stetig an“. Um beispielsweise E-Fahrzeuge vernünftig zu betreiben, benötigen die Autos dementsprechend für eine höhere Reichweite einen kleineren, leichteren und effizienteren Antrieb.

Sparsame Leistungshalbleiter

Neue Materialien zu erforschen, die diese Anforderungen erfüllen helfen, das beschreibt das Fachgebiet von Prof. Kapels. Als Alternative zu herkömmlichen Silizium analysiert er Materialien wie Siliziumkarbid oder Galliumnitrid. Beides sind Halbleitermaterialien, die in Leistungselektronik-Anwendungen eingesetzt werden und Silizium zunehmend ersetzen. Die Struktur dieser Verbundstoffe muss noch besser erforscht werden, um sicherzustellen, dass sie zuverlässig arbeiten. „Das Ziel ist es, mit E-Autos dieselbe Reichweite wie herkömmlich betriebener zu schaffen, ohne von den Bauelementen beschränkt zu werden. Denn wir wollen in einer Gesellschaft leben, die hohe Energiebedarfe deckt, ohne fossiles CO2 bei der Produktion freizusetzen“, so Elektrotechniker Kapels.
In seiner Vorlesung „Innovative Leistungshalbleiterbauelemente als Schlüsseltechnologie für eine elektrifizierte Zukunft“ beschreibt Kapels diesen Weg ausführlich. Nach der Begrüßung durch TUHH-Präsident Andreas Timm-Giel und der Würdigung von Wissenschaftsstaatsrätin Dr. Eva Gümbel betonte Ansgar Torns, Entwicklungsleiter bei Nexperia Germany, den gesellschaftlichen Mehrwert, der mit dieser Professur künftig entstehen kann. Die vom Hamburger Halbleiterhersteller Nexperia geförderte, neu errichtete Stiftungsprofessur ist im Studiendekanat Elektrotechnik, Informatik und Mathematik der TU Hamburg angesiedelt. Dort baut Prof. Kapels das Institut Power Electronic Devices auf.

Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie

Holger Kapels studierte Elektrotechnik an der Universität Bremen und promovierte im Jahr 2002 am Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente. Zuvor wechselte er im Jahr 2000 zur Infineon Technologies AG in München und entwickelte dort Leistungshalbleiterbauelemente auf Basis von Siliziumkarbid und der CoolMOS-Technologie. Im Jahr 2010 trat er eine Professur an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Hamburg an und konzipierte und leitete im Rahmen dieser Funktion seit 2015 ein Fraunhofer Anwendungszentrum. Im Jahr 2016 wurde er zum Professor für Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel berufen und begann zur gleichen Zeit seine Tätigkeit am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie, an dem er das Geschäftsfeld Leistungselektronik leitete – seit 2022 auch als kommissarischer Institutsleiter. Im April 2025 wurde er zum Professor für Bauelemente in der Leistungselektronik an die Technische Universität Hamburg berufen.

Staatsrätin Dr. Eva Gümbel: „Die neue Stiftungsprofessur an der Technischen Universität Hamburg (TUHH) befasst sich mit einer Schlüsseltechnologie unserer Zeit. Die Leistungselektronik bildet die Grundlage für Energieeffizienz und Nachhaltigkeit in zahlreichen Anwendungen – von der Elektromobilität über die erneuerbaren Energien bis hin zur industriellen Automatisierung. In Zukunft wird hier an der TU Hamburg Wissen generiert und weitergegeben, das ganz entscheidend für die Herausforderungen des Klimawandels ist. Professor Kapels bringt mit seiner Expertise die idealen Voraussetzungen mit, um Forschung und Lehre auf diesem Gebiet voranzubringen und Hamburg als Standort für zukunftsweisende Technologien weiter zu stärken. Ich gratuliere der TUHH und wünsche Herrn Professor Kapels einen guten Start!"

Über Nexperia

Nexperia ist ein globales Halbleiterunternehmen mit Hauptsitz in den Niederlanden, über 12.500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in Europa, Asien und den Vereinigten Staaten und einer langjährigen europäischen Geschichte. Als führender Experte entwickelt und produziert Nexperia essentielle Halbleiter, Komponenten, welche die Basisfunktionen von praktisch jedem kommerziellen elektronischen Design auf der Welt ermöglichen. Diese finden sich in der Automobil- und Industrieelektronik aber auch in Mobil- und Verbraucheranwendungen. Mit über 100 Milliarden ausgelieferten Bauteilen pro Jahr bedient das Unternehmen einen weltweiten Kundenstamm. Diese Produkte gelten als Maßstab für Effizienz hinsichtlich Herstellung, Größe, Stromverbrauch und Leistung. Das Bekenntnis von Nexperia zu Innovation, Effizienz, Nachhaltigkeit und strengen Industrieanforderungen zeigt sich im umfangreichen IP-Portfolio, sowie der wachsenden Produktpalette und Zertifizierung nach den Normen IATF 16949, ISO 9001, ISO 14001 und ISO 45001.