Vermogenselektronica geen vak apart

Elektromechanische actuatoren, aangedreven door zeer efficiënte en nauwkeurige vermogenselektronica, zijn de werkpaarden van de hightechindustrie. Ze bepalen de prestaties en kwaliteit van veel mechatronische systemen. Mechatronica&Machinebouw sprak met Jeroen van Duivenbode, specialist in vermogenselektronica bij ASML, fellow aan de TU Eindhoven en docent bij High Tech Institute.

Alexander Pil
6 november

Hij moet even nadenken, maar dan knikt hij bevestigend: ‘Ja, er zijn producten die ik heb ontwikkeld, die nog altijd rondjes om de aarde draaien.’ Want Jeroen van Duivenbode mag inmiddels dan bijna een kwart eeuw bij ASML werken, zijn roots liggen in de ruimtevaart. Een achtergrond waardoor hij in de halfgeleiderwereld soms tot interessante, andere inzichten komt.

Jeroen van Duivenbode: ‘Het aardige van vermogenselektronica is dat het alle subvakken van de elektrotechniek bevat.’

Na zijn studie vermogenselektronica aan de TU Delft belandde Van Duivenbode bij het toenmalige Alcatel Espace in Toulouse – nu onderdeel van Thales Alenia. ‘Ik ontwikkelde er vermogensomzetters voor de instrumenten aan boord van satellieten’, vertelt hij. ‘Dat ging dan meestal om radio-ontvangers en -zenders die moesten worden gevoed vanuit het boordnet van batterijen en de zonnepanelen. De andere kant van mijn werk daar draaide om simulatiemodellen. Ik heb veel gerekend aan vermogenssystemen van satellieten en ruimtestations. Tegenwoordig heb je daar allerlei tooltjes voor, maar in die tijd – eind jaren tachtig, begin jaren negentig – was er helemaal niets.’

Na vijf jaar in Frankrijk maakte Van Duivenbode de overstap naar Noorwegen, naar Norspace, ook een specialist in ruimte-elektronica. ‘Daar bouwden we onder meer surface acoustic wave-filters, kleine filters op basis van een kwartskristalletje waarmee je heel mooie bandpassfilters kunt maken. We hadden ook systemen in de Ariane 5-raket. Het was wel even spannend toen de eerste testvlucht mislukte. Gelukkig lag het niet aan ons maar was er een softwarefout gemaakt. Achteraf zijn onze units in de moerassen van Frans-Guyana teruggevonden, en die deden het nog gewoon, terwijl ze van vier kilometer hoogte naar beneden waren gevallen.’

Kosmische straling

Terug in Nederland vindt Van Duivenbode emplooi bij ASML. Daar is hij intussen uitgegroeid tot een van de go-to guys voor vermogenselektronica. Een vakgebied dat zeker geen bijzaak is voor de Veldhovense wafermachines. Alle bewegingen van bijvoorbeeld de waferstage en de reticle-stage gaan gepaard met flinke vermogens, terwijl de marges bijzonder klein zijn. ‘In het totale foutenbudget van het design hebben wij een paar procent. Dat vertaalt zich in de eis dat we ongeveer een tiende van een atoom speling hebben’, weet Van Duivenbode. ‘We moeten verder kijken dan alleen de stroom en spanning maar ook doorrekenen en simuleren hoe onze fouten doorsijpelen naar de uiteindelijke systeemfout.’

Zoals heel ASML wordt ook het werk van Van Duivenbode gedicteerd door de wet van Moore. ‘Daarnaast is productiviteit een belangrijke parameter van de ASML-machines. Sneller scannen betekent sneller bewegen en daarmee dus ook meer vermogen.’ En flink meer vermogen ook, want de relatie tussen de productiviteit en piekvermogen verhoudt zich tot de derde macht: een verdubbeling van de productiviteit betekent een verachtvoudiging van het vermogen. ‘We hebben al een paar van dat soort verdubbelingen meegemaakt. Waar de elektronica om de bewegingen te realiseren vroeger in een schoenendoos paste, staat er nu vele kubieke meters vermogenselektronica naast elke machine.’

Omdat de foutmarge zo klein zijn, kan ook de kleinste verstoring roet in het eten gooien. ‘Op een gegeven moment sleutelden we aan een nieuwe generatie versterkers. We hadden de spanning een beetje opgekrikt en knepen de mosfets wat meer uit’, herinnert Van Duivenbode zich. ‘Binnen twee weken was een flink aantal van die mosfets al kapot. We elimineerden alles, van emc tot systeemfouten, maar alles was oké. Er bleef slechts één optie over: kosmische straling.’

De hoeveelheid vermogenselektronica die de stagebewegingen in een ASML-machine realiseert, is uitgegroeid van een schoenendoos tot vele kubieke meters.

In zijn eerdere functies was dat aan de orde van de dag, maar in zijn nieuwe wereld had Van Duivenbode het nodige missiewerk te doen. ‘Niemand wilde het geloven. We hebben daarom een testopstelling gemaakt met duizenden transistoren. In het lab gingen meerdere per week stuk. Daarna hebben we dezelfde opstelling in de Gemeentegrot in Valkenburg gezet, onder meters aarde en kalksteen. Na acht weken was er nog geen enkele transistor uitgevallen. Sinds die tijd is in de industrie bekend dat je niet alleen bij grote chips op kosmische straling moet letten, maar dat het effect ook speelt bij kleine mosfetjes.’

Niet op zichzelf

Naast zijn werk bij ASML is Van Duivenbode verbonden aan de TU Eindhoven, als fellow bij Elektrotechniek, uiteraard op het gebied van vermogenselektronica. Ook is hij sinds een paar jaar docent bij de training ‘Actuation and power electronics’ van High Tech Institute. ‘Die cursus is interessant voor iedereen die betrokken is bij nauwkeurige oplossingen. En dat hoeft echt niet om nanometers te gaan zoals bij ASML’, verzekert Van Duivenbode. ‘Op micrometerniveau is het zeker ook interessant om te kijken hoe je vermogenselektronica inpast in je mechatronische systeem. En zelfs als je het hebt over iets ‘lomps’ als de aandrijving van een auto, moet dat nog steeds stabiel en betrouwbaar gebeuren.’

‘Vermogenselektronica is een vak dat niet op zichzelf staat’, gaat hij verder. ‘Het staat altijd in dienst van het systeem. Niemand komt met de vraag om een schakeling te maken die een paar kilowatt kan produceren. Dat is niet interessant. Het gaat om het geheel en dat is precies waarop de training de focus legt.’

‘Het aardige is dat vermogenselektronica alle subvakken van de elektrotechniek bevat. Behalve alle standaard bouwstenen voor vermogenselektronica – mosfets, diodes, spoelen, et cetera – werk je ook met analoge elektronica om nauwkeurig te meten, en uiteraard met digitale technologieën en VDHL. Elektromagnetische compatibiliteit is een thema omdat de hoge spanningen en stromingen waarmee je werkt storingen in de kaart spelen. EMC moet je dus snappen, net als thermisch design omdat de componenten snel warm worden. Die hitte moet je zien kwijt te raken.’ Dat kan met een koellichaam, maar ‘je moet uitkijken voor de capacitieve koppeling naar de koelplaat’.

En dan is er de betrouwbaarheid. ‘Bij die hoge vermogens staat de elektronica te piepen en te kraken. De printjes moeten hard werken, dus je bent gevoeliger voor fouten’, aldus Van Duivenbode. ‘Je moet dus verstand hebben van reliability en levensduurtests.’

Supergeleiding

Van Duivenbode geeft de training samen met TUE-professor Elena Lomonova en Coen Custers van Philips Innovation Services. Naast vermogenselektronica en het rekenen aan magnetische circuits – delen die Van Duivenbode voor zijn rekening neemt – gaat de cursus ook specifiek over actuatoren. Lineaire en planaire Lorentz-actuatoren, piëzo-actuatoren, ze passeren allemaal de revue. Relatief nieuw en veelbelovend zijn de zogenaamde reluctantiemotoren.

‘Dat is een variant waarbij je een stroompje laat lopen door een spoel en daarmee een stuk weekijzer aantrekt’, legt Van Duivenbode uit. ‘Reluctantiemotoren halen een zeer hoge krachtdichtheid. Het nadeel is dat die krachten zeer niet-lineair zijn en dat zo’n motor alleen een aantrekkende kracht kan genereren. Op de universiteit in de groep van Elena Lomonova doen ze veel onderzoek om een oplossing te vinden voor die niet-lineariteit. Als die is gevonden, maakt de hoge krachtdichtheid ze heel interessant voor veel toepassingen.’

Een andere opkomende technologie is supergeleiding. ‘Dat zit bijvoorbeeld al in mri-scanners. Ook is er een Nederlandse test geweest met supergeleidende hoogspanningskabels. Dat experiment was een succes, het principe werkte, maar daar is het bij gebleven’, weet Van Duivenbode. ‘Ook de eerste windmolen met supergeleidende magneten is al gebouwd. Die magneten zaten in de rotor en het hele supergeleidende systeem moest dus mee draaien met de wieken. Dat vind ik best knap. De volgende stap is om het economisch haalbaar te maken; iemand moet de eerste stap zetten en er geld in steken.’ Zo ver is het nog niet. Daarom blijft supergeleiding in de training voorlopig nog exoot.