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Evolution der Leistungselektronik

24.11.2010
Rohstoff- wie Umwelt-/Klimasituation zwingen zum verantwortungsvollen Umgang mit Energie. Neue Stoffe werden trotz ihrer verbesserten Eigenschaften Silizium nicht ablösen – es bildet sich eine Konkurrenzsituation zwischen den Technologien. Optimum für Stromrichter wird die Kombination von Halbleitern auf verschiedener Grundlage sein.

Energieelektronische Stromrichter verstellen deshalb in allen Bereichen von Wirtschaft und Industrie effizient Leistungen zwischen geringen Wattzahlen (Sparlampen, Klimaanlagen, Kühlschränke, Waschmaschinen, Trockner und dergleichen) und Höchstwerten bei HGÜ und Mittelspannungsantrieben. Für die etwa seit 1960 bekannten, die Elektrotechnik schon einmal revolutionierenden Leistungshalbleiter jedweden dynamischen Anspruchs, dient als Basismaterial Silizium Si. Damit bestückte Stellglieder kennzeichnet maximaler Wirkungsgrad flankiert von Wartungsarmut und einfacher Bedienung. Ihre Netzrückwirkungen unterschreiten die verträglichen Grenzen. Neuerdings nun stehen Halbleitermaterialien als Si-Ergänzung zur Verfügung.

Sie gestatten technisch gleichwie wirtschaftlich verbesserte Applikationen, zumal das dsbzgl. Si-Potenzial ausgeschöpft zu scheint. Diese Konkurrenz besitzt gute Chancen, sich auf Dauer als gleichberechtigter Partner vom Si durchzusetzen. Bei sinkenden Herstellkosten verbessern sich Leistungsniveau und -dichte/Miniaturisierung, Sperrspannung, Verlustarmut ebenso Ausfall- und Temperaturverhalten, EMV-Verträglichkeit, Ausbeute. Die Einsatzmöglichkeiten derartige Halbleiter applizierende Systeme verbreitern sich, weil ihre Wirkung noch mehr die „Summe der funktionelle Eigenschaften ihrer Komponenten“ übersteigt. Energie aus erneuerbaren Quellen wird erschwinglicher, der erhöhte Bedarf an Convertern lässt sich kostengünstiger und zuverlässiger decken. Der Zustand „grid parity“, in dem umweltfreundlicher Strom ebenso günstig wie mit konventioneller Technik generiert wird, rückt in greifbare Nähe.

Neue Lösungsansätze

Die bewährte Si-Technologie ist weitgehend ausgereizt. Notwendige Verbesserungen erzielen etwa die Systemintegration aktiver und passiver Bauelemente, die Applikation neuer Kühltechniken, insbesondere aber neue Basismaterialien, die ein vergrößerter Bandabstand (Wide Bandgap Semiconductors) und eine schalterfreundlichere Kristallstruktur auszeichnet. Zu solchen innovativen Ansätzen gehören Siliziumcarbid SiC, Galliumnitrid GaN, aber auch Galliumarsenid GaAs und andere Halb-/Metalle. Geringerer Materialeinsatz, vermindertes Volumen der Stromrichtergeräte und steigende Anlagenzuverlässigkeit folgen aus den schon genannten Vorzügen. Die Hürde der aufwendigen Herstellung solch neuartiger, steuerbarer Bauelemente ist auf gutem Wege, wirtschaftlich genommen zu werden. Kostenvergleiche fallen künftig zugunsten der neuen Technologien aus.

Siliziumcarbid SiC

SiC-basierte Schalter stehen vor ihrem wirtschaftlichen Erfolg. Die erreichbare Materialgüte gestattet bereits die Herstellung von Scheiben, deren Einzel-Chip-Fläche den kW-Bereich erreichen kann. Mit ihnen konstruierte Stromrichter zeichnen sich durch Nutzen gemäß Tabelle aus. Besonders eignen sie sich für hohe Schaltfrequenzen (Umrichter für hochtourige Motoren, Umrichter mit gepulstem, netzseitigen Vier-Quadrantensteller für ein- und ausgangsseitigen Sinus-Betrieb). Verminderter Geräuschpegel, oberschwingungsarmes Drehmoment, verbesserte Drehzahlstabilität, sinkender Filteraufwand ergeben sich daraus.

Auch getaktete DC/DC-Wandler zählen zu den bevorzugten Anwendungen mit schärferen Einsatzbedingungen. Die Zunahme der Kompaktheit der SiC-Stellglieder empfiehlt sie für Applikationen mit Platznot. Kraftfahrzeugtechnik (E-Mobility) und Direktantriebe mit integriertem Umrichter, Integralmotoren für Leistungen > 22 kW werden zu Abnehmern gehören. Matrixconverter als optimale Topologie einer Stromrichterschaltung entstehen mit ihnen kostengünstig.

Galliumnitrid GaN

Durch erhebliche Fortschritte bei Schaltleistung und Bandbreite, bei Sperrspannung sorgen ebenfalls GaN-Transistoren für geringeren Stromverbrauch, für kleinere Abmessungen, für Kostensenkungen überhaupt. Erste kommerzielle HEMT´s (u. a. von International Rectifier), die sich etwa wie konventionelle Leistungs-MOSFET`s verhalten, sowie 600V-Schottky-Dioden leiten 2010 die Phase weiterer Verbesserungen dieser Technologie ein. Erste erfolgreiche Applikationen im Niederspannungsbereich liegen mit DC/DC-Netzteilen und Schaltreglern vor.

Galliumarsenid GaAs und andere Halb-/Metalle

Aus GaAs entstehen bevorzugt Solarzellen. Gegenüber Si soll ihr Wirkungsgrad etwa auf den doppelten Wert steigen. Das in der Anfangsphase steckende Herstellungsverfahren verspricht den Sprung in die Massenfertigung, also die wirtschaftliche Nutzung der Sonnenenergie. Weitere Elemente wie Tellur (Halbmetall) und Cadmium (Metall) konkurrieren ebenfalls mit Si. Trotz ihrer geringeren Stromausbeute, dem damit verbunden höheren Installationsaufwand, sind selbst diese Materialien auf dem Vormarsch, da sich das Watt vergleichsweise kostengünstig erzeugen lässt.

Ein weiterer „leistungselektronischer“ Konkurrent in der Fotovoltaik erwächst mit den nanodünnen, druckbaren, organischen Solarzellen, die mittels Farbpartikeln den elektrischen Strom erzeugen. Noch bieten solche Nano-Zellen keinen der kristallin anorganischen Technik vergleichbaren Wirkungsgrad. Allerdings lassen sie sich wohl in hohen Stückzahlen preiswert herstellen. Interessant ist die Nano-Dünnschicht-Technologie mit Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid

Natürlich lösen die neuen Stoffe trotz ihrer verbesserten Eigenschaften Si nicht ab. Mithin bildet sich die oben erwähnte Konkurrenzsituation zwischen den Technologien.

Joachim Krause | handling
Weitere Informationen:
http://www.handling.de/Suche/Know-How---Automation---Evolution-der--Leistungselektronik.htm

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