Siliziumkarbid verändert die Energiesysteme

Siliziumkarbid (SiC) ist zu einem Eckpfeiler für die Steigerung der Effizienz und die Unterstützung der Dekarbonisierung in allen Branchen geworden. Es ist ein Wegbereiter für fortschrittliche Stromversorgungssysteme, die den wachsenden globalen Bedarf an erneuerbaren Energien, Elektrofahrzeugen, Rechenzentren und Netzinfrastrukturen decken. Die SiC-Technologie hat Vorteile gegenüber herkömmlichen Silizium-Bauelementen, insbesondere bei der Effizienz der Leistungsumwandlung und in thermisch empfindlichen Situationen. Der Gesamteffekt in der Elektronik- und Energiebranche kann zu mehr Rentabilität und Nachhaltigkeit führen.

Experten von zwei branchenführenden Halbleiterunternehmen - Michael Williams, Director of Marketing for Industrial and Infrastructure bei Infineon Technologies, und Shawn Luke, Technical Marketing Engineer bei DigiKey - teilen ihre Gedanken darüber, wie sich die SiC-Technologie auf den Markt ausgewirkt hat und was als nächstes ansteht.

Verschiebung des Stromverbrauchs

„In der Vergangenheit war der größte Teil des Stromverbrauchs mit einer Art von Motorsteuerung verbunden, z. B. bei industriellen Automatisierungsanwendungen und Fabriken, im Schienenverkehr, bei der Bewegung von Pumpen für die Abwasserbehandlung oder bei Flüssigkeiten wie Öl in Pipelines“, sagt Williams. „Mit der Einführung von Siliziumkarbid gab es auf dem Markt eine Verschiebung in Richtung Effizienzsteigerung, die eine Verringerung der Energieverluste über mehrere Umwandlungsstufen hinweg ermöglichte und damit Anwendungen mit hohem Bedarf unterstützte.“

Dieser Wandel konzentrierte sich auf die Dekarbonisierung und die Entwicklung neuer Generationen erneuerbarer Technologien, einschließlich erneuerbarer Energiesysteme, EV-Infrastruktur und Rechenzentren. Außerdem wurde der Wirkungsgrad der Energieumwandlung von etwa 95% auf 98,5% verbessert, was zu geringeren Energieverlusten, einer geringeren Wärmeentwicklung und einem geringeren Kühlungsbedarf führt.

Netzinfrastruktur

Allein die Übertragung von Strom aus dem Netz oder einer Hochspannungsleitung in ein Rechenzentrum kann zu einem Stromverlust von 5% bis 6% führen, wenn der Strom mehrere Umwandlungen durchläuft. Allein auf Rechenzentren entfallen heute schätzungsweise 3% des weltweiten Energieverbrauchs, der bis 2030 auf 4% ansteigen soll (Data Centre Magazine, 2022), wobei eine Verlangsamung nicht zu erwarten ist. SiC kommt in der Stromversorgungsinfrastruktur von Rechenzentren ins Spiel und treibt die Effizienz und die Systemkosten bei Energiespeichern im Netzmaßstab und zentralen Solarwechselrichtern in die Höhe. Die kombinierte Lösung ermöglicht es künftigen Rechenzentren, in einer Microgrid-Umgebung zu arbeiten und so die Belastung des bereits strapazierten US-Netzes zu verringern.

„Mit der Elektrifizierung des Automobils kommen viele Referenzdesigns mit bidirektionalem Laden und fortschrittlicher Leistungselektronik auf den Markt, d. h. sie laden in den Nebenzeiten und speisen den Strom in den Spitzenzeiten in das Netz zurück“, so Luke.

SiC ist eine Technologie mit breiter Bandlücke, die höhere Spannungen und schnellere Schaltgeschwindigkeiten in Anwendungen wie dem Laden von Elektrofahrzeugen ermöglicht. Dies hat eine vollständige Umgestaltung der globalen Netzinfrastruktur ermöglicht und gleichzeitig die Systemkomplexität und die Gesamtkosten verringert.

Entwickeln mit SiC-Technologie

Die SiC-Technologie adressiert die Effizienz sehr gut, aber es gibt Fälle, in denen ein kleines Produkt benötigt wird, und in diesen Fällen werden Bauteile mit breiter Bandlücke (WBG) oder Silizium (Si) verwendet.

„So wie ein Entwickler drei Technologien zur Auswahl hat, so hat er auch drei grundlegende Designüberlegungen. Mache ich mein Produkt kostengünstig, mache ich mein Produkt kompakt oder mache ich mein Produkt effizient?“, erklärt Williams. „Wenn ein Entwickler zwei dieser Prioritäten wählt, kann er Si-Lösungen wählen. Um alle drei Aspekte zu berücksichtigen, sind jedoch Bauelemente mit großer Bandlücke erforderlich. Der wichtigste Faktor für kompakte Produkte ist die Erhöhung der Schaltfrequenz, um die Größe der Induktivitäten und Kapazitäten im System zu verringern.“

Aufgrund der breiten Bandlücke der SiC-Technologie können höhere Spannungen verwendet werden, was die nächste Generation der Technologieimplementierung ermöglicht hat. Die Herausforderung besteht darin, dass SiC ein komplexes Material ist, da es ein wesentlich steiferes Grundmaterial ist als herkömmliches Silizium.

Leistungszyklen sind ein Schlüsselfaktor bei der Entwicklung von Gehäusen, da sie die Verbindung zwischen dem SiC-Chip und seinem Leiterrahmen oder Substrat belasten, was zu einem vorzeitigen Ausfall des Bauteils führen kann. Die Entwicklung neuer Verbindungstechnologien zur Verbesserung des Leistungszyklus künftiger SiC-Bauelemente ist wichtig, um den künftigen Anforderungen eines dekarbonisierten Netzes gerecht zu werden.

„Die Anwendungen nutzen heute viel höhere Leistungszyklen als die Motorsteuerungen der Vergangenheit“, so Williams. „Infineon hat sich auf die Entwicklung unserer .XT-Technologie konzentriert, einer modernen Verbindungstechnologie, die nachweislich die zyklische Energieversorgung im Vergleich zu herkömmlichen Weichlöttechniken um das 22-fache erhöht. Diese Technologieentwicklung ermöglicht eine höhere Leistungsdichte, eine verbesserte thermische Leistung und eine maximale Systemlebensdauer, was den Übergang zu mehr erneuerbaren Energiequellen ermöglicht.“

Innovationen auf dem Energieumwandlungsmarkt

Ein Bereich, der begeistert, ist die Dekarbonisierung des Stromnetzes, d. h. die Abkehr von fossilen Kraftwerken (wie Kohle und Öl).

„Die Dekarbonisierung kann sowohl auf der Makroebene durch die Umstellung der Energieversorgungsunternehmen auf Wind-, Solar- und Wasserkraft erfolgen, als auch auf der Verbraucherebene durch Elektrofahrzeuge und ähnliches“, so Luke. „Materialien wie SiC tragen dazu bei, dass wir uns mehr als je zuvor den Mikronetzen nähern, die Energiequellen lokalisieren, um die Umwandlung und den Verlust zu verringern und so die Dekarbonisierung zu unterstützen.“

Eine weitere Innovation, die sich ihrer Meinung nach stark auf den Energiesektor auswirken wird, ist die Einführung von Halbleitertransformatoren. Diese können die Infrastruktur des Stromnetzes erheblich verbessern, indem sie die Größe, die Installationszeit und die Gesamtkomplexität des Versorgungsstandortes verringern. Der Einsatz von Halbleitertransformatoren ermöglicht modulare Hochspannungssysteme und Microgrid-Lösungen, die zu einer nachhaltigeren Energieverteilung führen.

Wie geht es weiter?

Da ständig neue Technologien auf den Markt kommen, ist davon auszugehen, dass SiC eine dauerhafte Präsenz haben wird.

„Die Experten von Infineon gehen davon aus, dass Silizium-Schaltkomponenten den Markt für den Rest des Jahrzehnts weiterhin dominieren werden“, sagte Williams. „Wir haben eine einzigartige Position auf dem Markt, da wir alle drei Schalttechnologien anbieten: Silizium, Siliziumkarbid und Galliumnitrid, und wir sehen keine Bedrohung durch Leistungsbauelemente mit großer Bandlücke, die den Gesamtmarkt verkleinern würden.“

Unternehmen wie Infineon investieren in die Skalierung der Fertigung, um die Kapazität zu erhöhen, und entwickeln Lösungen, die die Leistungseffizienz verbessern und gleichzeitig die Kosten der SiC-Technologie senken. Innovationen wie modulare Mikronetze, verteilte Gleichstromnetze und Fusionsreaktoren sind in Sicht, und SiC steht im Mittelpunkt dieser Fortschritte.

Durch eine starke Partnerschaft mit dem globalen Distributor DigiKey und die schnelle Einführung neuer Technologien durch ein Vertriebsmodell ohne Mindestbestellmenge und mit hoher Verfügbarkeit sind Designer und Ingenieure gut positioniert, um mit allem, was kommt, mitzuhalten. Weitere Informationen über Energieversorgungslösungen finden Sie unter DigiKey.de.