Verbesserung der Energieeffizienz in der Industrie mit SiC- und GaN-Technologie

Verbesserung der Energieeffizienz in der Industrie

Die Welt kehrt den fossilen Brennstoffen zunehmend den Rücken zu und bewegt sich hin zu einer vermehrten Nutzung von Strom. Daher steigt die Bedeutung der Energieeffizienz für die Industrie. Etwa 45 % des weltweiten Energieverbrauchs entfallen auf die Industrie, zwei Drittel davon werden von Motoren verbraucht. Dies macht energieeffiziente Motoren zu einer Hauptpriorität für einen Großteil der Industrie.

Obwohl der erhöhte Strombedarf zu einem großen Teil durch erneuerbare Energien gedeckt werden wird, wird noch viel davon durch Brennstoffe wie Erdgas erzeugt, die zur Freisetzung von Kohlendioxid in die Atmosphäre beitragen. Erneuerbare Energiequellen sind zudem nicht gleichmäßig und erfordern Technologien zum Lastausgleich, um eine wirklich tragfähige Lösung zu bieten.

Da primäre Quellen wie Gas unter hohem Preisdruck stehen, muss die Industrie ihre Stromnutzung verbessern und Technologien einsetzen, die sicherstellen, dass sie die maximale Menge an nützlicher Arbeit leistet und diese nicht verschwendet wird.

Dieser Bedarf wird durch eine zunehmende Verschiebung hin zur Automatisierung verstärkt, um die Ziele einer qualitativ hochwertigen, wiederholbaren Produktion, Produktionsflexibilität und Verbrauchernachfrage nach maßgeschneiderten, personalisierten Produkten zu erreichen. Roboter, automatisierte Zellen, fahrerlose Transportfahrzeuge und zugehörige Fördertechnik wie Krane, Förderer und Lagerlösungen helfen dabei, diese Anforderungen zu erfüllen, stellen jedoch eine zusätzliche Belastung für die Stromversorgung der Anlage dar.

Die Industrie setzt zunehmend auch Industrie 4.0-Techniken ein, indem sie Sensoren, lokale Verarbeitung, Konnektivitätsnetzwerke, Software und die Cloud integriert, um Produktionsdaten und die Maschinenleistung zu analysieren, sodass die Qualität, die Produktionszeit und der Wartungsaufwand optimiert werden können. Ein Großteil der nachfolgenden Verarbeitung wird in entfernten, energieintensiven Rechenzentren durchgeführt, was eine weitere Belastung für die Stromversorgung darstellt.

Mit steigendem Strombedarf werden all diese Werkseinrichtungen und externen Datenverarbeitungsstandorte Stromversorgungen benötigen, die hochgradig effizient sind.

Aus diesen Gründen besteht großer Druck von Industrie, Regierung und Herstellern gleichermaßen, um effizientere Stromversorgungen zu entwickeln. Zu den größten Herausforderungen für Entwickler von Stromversorgungen gehören drei Aspekte – Leistungsdichte, thermische Leistung und Umwandlungseffizienz. Obwohl traditionelle Verbesserungsmethoden weiterhin einen gewissen Stellenwert haben werden, wird für erhebliche Fortschritte in der Energieeffizienz ein radikal neuer Ansatz benötigt.

Neue Halbleiter-Technologie

Jüngste Bemühungen zur Verbesserung der Energieeffizienz von Leistungsbauelementen wie Ladegeräten und Verstärkern haben sich auf die Verbesserung der Leistung der Halbleiter, auf denen sie beruhen, konzentriert.

Insbesondere wird im Bereich der Wide-Bandgap-Halbleiter gearbeitet, welche erhebliche Leistungsverbesserungen gegenüber Bauelementen auf Siliziumbasis bieten können. Das Bandgap ist ein Energiebereich in einem Festkörper, in dem keine Elektronen existieren können, und ist einer der Faktoren, die bestimmen, wie gut ein Festkörpermaterial Elektrizität leiten kann – je größer das Bandgap ist, desto höher ist die Spannung und Temperatur, denen es standhalten kann.

Die beiden wichtigsten Technologien in diesem Bereich sind SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid).

SiC ist ein Verbindungshalbleiter aus Silizium und Karbid. Mit einem Bandgap, das bei 3,4 eV dreimal größer ist als Silizium, bietet es mehrere Vorteile, darunter die zehnfache Durchschlagstromfeldstärke. SiC-Leistungshalbleiter können für viel höhere Spannungen als herkömmliches Silizium von 600 V bis zu Tausenden von Volt verwendet werden. Die Technologie wird in der Regel in Hochleistungsanwendungen von 10 kV und mehr eingesetzt und sorgt für niedrigere Schaltverluste und niedrigere Kosten, jedoch mit einer geringeren Zuverlässigkeit.

Galliumnitrid (GaN) ist ein sehr harter und mechanisch stabiler Halbleiter. Mit einem großen Bandgap von etwa 3,2 eV bietet ein GaNFET eine viel höhere Durchschlagfestigkeit, eine höhere Schaltfrequenz, eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigeren Widerstand als siliziumbasierte Alternativen mit Bandgaps von etwa 1,12 eV.

Es ist auch robuster, zuverlässiger und strahlungsfester.

Abbildung 1: Wichtige Materialeigenschaften von Wide-Bandgap-Halbleitern

Obwohl SiC und GaN unterschiedliche Spannungs-, Leistungs- und Anwendungsanforderungen erfüllen, überlappen sie sich bei einigen Geräteanwendungen. Mit Spannungspegeln bis 1.200 V und hoher Stromtragfähigkeit können SiC-Bausteine in Anwendungen wie Kfz-Antriebswechselrichtern und Lokomotiven, großen Dreiphasen-Grid Convertern und leistungsstarken Solarparks nutzbringend sein. Im Gegensatz dazu bietet GaN überlegene Schaltfähigkeiten, inhärente Herstellungs- und Kostenvorteile sowie die Möglichkeit, bei viel höheren Frequenzen zu schalten. Dies hat diese Lösung zur natürlichen Wahl für viele Entwickler gemacht, die Anwendungen mit weniger als 10 kW herstellen möchten.

Industrielle Anwendungen, die von SiC und GaN profitieren

Netzteile

Die Eigenschaften von Bauelementen auf SiC-Basis machen Netzteile zu einer der wichtigsten SiC-Anwendungen. Auf diese Weise können Entwickler von Netzteilen neue Wirkungsgradhöhen erreichen. SiC-Leistungselektronik kann eine ganze Reihe von industriellen Anwendungen beeinflussen, vor allem wohl die Leistungsfaktorkorrektur (PFC). Dies ist die Technik des Ausgleichs des nacheilenden Stroms, indem ein voreilender Strom erzeugt wird, wobei genügend Kapazität in die Schaltung geschaltet wird, um den Leistungsfaktor so nahe wie möglich an Null anzupassen.

Eine Erhöhung des Leistungsfaktors eines Netzteils kann die Verlustleistung wesentlich reduzieren. PFC formt den Eingangsstrom effektiv, um die von der Versorgung realisierte Leistung zu optimieren. Durch die höhere Frequenz, die durch SiC ermöglicht wird, können kleinere und kostengünstigere Schaltungsbauelemente im Netzteil verwendet werden.

Die Verwendung von SiC-MOSFETs erfordert weniger Bauelemente, ist kostengünstiger und bietet eine höhere Leistungsdichte, was sich in der Reduktion von Systemgröße, Gewicht und somit Kosten niederschlägt.

Laut Wolfspeed kann SiC bis zu 25 % weniger Verluste, bis zu 60 % kleinere Systeme und bis zu 20 % geringere Kosten im Vergleich zu Siliziumhalbleitern ermöglichen.

Der höhere Wirkungsgrad verbessert auch die thermische Leistung, wodurch die Größe und das Gewicht des Netzteils weiter reduziert werden.

Motoren und Antriebe

Derzeit werden 45 % des weltweiten Stroms von der Industrie verbraucht, wobei zwei Drittel dieses Verbrauchs auf Motoren in einer Vielzahl von Anwendungen entfallen, darunter Schüttgutförderung, Verpackungsmaschinen und die zahlreichen Anwendungen von Pumpen und Ventilatoren. Zugleich werden etwa 30 % dieser Energie verschwendet. Es ist klar, dass eine erhöhte Energieeinsparung für Motoren und Antriebe erforderlich ist, und GaN-Halbleiter können dies ermöglichen.

Zu den Vorteilen der hohen GaN-Effizienz für Motor- und Antriebsanwendungen gehört eine Energieumwandlungseffizienz von 98 % im Vergleich zu 92 % für normales Silizium. Die Regeneration und aktive Einspeisung können für einen um etwa 22 % geringeren Stromverbrauch sorgen, während der Stromverbrauch mit GaN insgesamt um 25 % gesenkt wird.

Weitere Vorteile sind:

• Eine um 50 % kleinere Größe
• Um 15 % geringere Kosten für den Motorantrieb
• Eine Kostenersparnis durch ungeschirmte Kabel und den fehlenden Bedarf an externen Filtern
• Keine akustischen Geräusche
• Längere Lebensdauer des Motors

Beispiele sind Produkte des Unternehmens Siemens, das im Rahmen seiner Produktlinie Simatic Micro-Drive einen GaN-basierten Antrieb auf den Markt gebracht hat. Diese Antriebe in Miniatur-Ausführung bieten einen erhöhten Wirkungsgrad und eine schnellere Motoransprechzeit. Sie sind nur zwei Zentimeter breit und benötigen aufgrund des Einsatzes von GaN keine zusätzliche Kühlung.

Roboter

GaN-Halbleiter bieten besondere Vorteile bei Roboteranwendungen, insbesondere wenn es darum geht, die Größe zu optimieren und die Integration von Robotern in Fertigungsumgebungen zu erleichtern. Beispielsweise führt Hochfrequenz zu kleineren Magneten, Kondensatoren und Filtern, während die geringeren Leistungsverluste von GaN die Verwendung kleinerer Motoren beim Roboter ermöglichen, welche keine Kühlkörper benötigen. Diese kompaktere Größe führt wiederum zu einer einfacheren Integration.

Diese Bausteine ermöglichen auch kabelloses Laden, was mobilen Robotern echte Autonomie bietet – da sie kabellos sind, können sie in allen Achsen mit vollständiger 360 Grad-Freiheit arbeiten. Die GaN-Transistor-Technologie kann die hohen Energieniveaus bewältigen, die für das kabellose Laden erforderlich sind, wobei bei Roboteranwendungen die Verwendung einer großen Ladefläche und das Laden in einer Entfernung, welche viel größer ist als bei bestehenden kabellosen Systemen, die für Produkte wie Smartphones verwendet werden, erforderlich ist.

Das drahtlose Laden von Robotern würde bei einer Frequenz von 500 kHz bis zu einem MHz erfolgen. Silizium ist dagegen auf Frequenzen von 100-200 kHz beschränkt. Mit GaN-basierter Elektronik, die bei diesen hohen Frequenzen arbeitet, können Roboter mehrmals am Tag an mehreren Standorten aufgeladen werden, ohne physisch an einer Ladestelle andocken zu müssen.

Kfz

Kfz-Anwendungen bieten große Einsatzmöglichkeiten für leistungseffiziente GaN- und SiC-Halbleiter. Einer der größten Nutznießer sind elektrische Systeme in der Kfz-Branche. Moderne Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybridelektrofahrzeuge (HEVs) enthalten Bauelemente, die diese Geräte verwenden können, einschließlich DC/DC-Wandler, integrierte Ladegeräte (OBCs), Motortreiber und LiDAR.

Sowohl GaN- als auch SiC-Halbleiter haben sich in Bereichen wie dem Batteriemanagement in Elektrofahrzeugen bewährt. Neben der Unterstützung viel höherer Spannungen als Silizium sind sie aufgrund ihrer hohen Schaltfrequenz auch besonders für das Batteriemanagement geeignet, während sie dank der Fähigkeit, hohe Spannungen zu blockieren, zunehmend in Spannungsreglern für Elektrofahrzeuge verwendet werden.

Fazit

Da sich die Welt zunehmend auf elektrische Energiesysteme stützt und sich von fossilen Energiequellen abwendet, ist es wichtiger denn je, die verfügbare Energie besser zu nutzen, indem Produkte und Systeme so effizient wie möglich gemacht werden.

Besonders wichtig sind Leistungssteuerungslösungen wie Wandler, Verstärker und Ladegeräte, die in industriellen Anwendungen weit verbreitet sind, welche Motoren verwenden oder auf Batterieleistung angewiesen sind, um eine größere Autonomie zu erreichen. Der Wirkungsgrad dieser Geräte hängt größtenteils von den verwendeten Leistungshalbleitern ab, und es gibt nun Alternativen, die über die Fähigkeiten von elementarem Silizium hinausgehen.

SiC wird heute häufig in Leistungsanwendungen mit einer Nennspannung von 650 V bis 1700 V verwendet, die den üblichen ein- und dreiphasigen Industrie- und Wechselrichterpegeln entsprechen. SiC-Bausteine haben sich als robuste, hochmoderne Treiber in einer wachsenden Anzahl von Anwendungen bewährt, während GaN-Bausteine zunehmend in Anwendungen mit niedrigerer Spannung eingesetzt werden, in denen das Material das beste Gleichgewicht zwischen Effizienz und Leistung bietet.

Mit einer stärkeren Nutzung dieser Technologien in einer Vielzahl industrieller Anwendungen kann die Energienutzung wesentlich effizienter gestaltet werden, was nicht nur den energieverbrauchenden Unternehmen im Hinblick auf die Kosten, sondern auch der Gesellschaft im Allgemeinen zugutekommt.