Leistungshalbleiterschalter

Siliciumcarbid steigert Energieeffizienz

Den Wirkungsgrad der Stromversorgung in industriellen Prozessen zu erhöhen und dadurch Energie und CO2 einzusparen, ist Ziel des neuen Verbundprojekts „MMPSiC“: Forscher am Lichttechnischen Institut (LTI) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersuchen gemeinsam mit den Industriepartnern TRUMPF Hüttinger und IXYS Semiconductor den Einsatz von Leistungshalbleiterschaltern aus Siliciumcarbid. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit rund 800000 Euro.

Abbildung der Abschmelzstelle eines Siliciumeinkristallstabs, der mit dem Zonenschmelzverfahren hergestellt wurde. (Bild: TRUMPF Hüttinger)

Von der Halbleiterfertigung über die Beschichtung von Displays bis hin zu Prozessen im Automobilbau: Viele industrielle Verfahren verbrauchen große Mengen elektrischer Energie. Darunter sind auch Technologien, die eine wichtige Rolle für die Energiewende spielen, wie das Zonenschmelzverfahren (Float Zone Verfahren) zum Herstellen von hochreinen kristallinen Werkstoffen: Die Substanz wird in einer schmalen Zone elektrisch geschmolzen; die Schmelzzone wird nach und nach weitergeführt. Hinter der Schmelzzone kristallisiert die Substanz reiner als zuvor. Das Zonenschmelzverfahren liefert unter anderem hochreine Siliciumeinkristalle für die Herstellung von Solarzellen.

Zur Stromversorgung von Zonenschmelzanlagen werden bis jetzt auf Röhrentechnologie basierende Systeme eingesetzt, die einen elektrischen Wirkungsgrad von maximal 65 % aufweisen. Durch eine Umstellung auf Leistungshalbleiter aus Siliciumcarbid ließe sich der Wirkungsgrad der Prozessstromversorgungen auf über 80 % steigern. Dies würde große Mengen an elektrischer Energie einsparen und Treibhausgasemissionen reduzieren. Zum Beispiel würde sich für eine einzige Float Zone Großanlage, bestehend aus 20 x 150-kW-Prozessstromversorgungen, bei einer jährlichen Laufzeit von 4800 Stunden eine Einsparung von mehr als 200000 kWh elektrischer Energie und damit 109 Tonnen CO2 (Umweltbundesamt, Stand Juli 2013) ergeben.

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Die Realisierbarkeit solcher Prozessstromversorgungen untersuchen Forscher am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT gemeinsam mit den Partnern TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG (Freiburg) und IXYS Semiconductor GmbH (Lampertheim) im Verbundprojekt „Modulare Mittelfrequenz-Prozessstromversorgung mit Siliciumcarbid-Leistungshalbleiterschaltern“ (MMPSiC). Als Halbleitermaterial bietet Siliciumcarbid verschiedene Vorteile: Dank der größeren elektronischen Bandlücke ermöglicht es deutlich höhere Betriebstemperaturen als konventionelle Halbleiter. Leistungselektronik mit Siliciumcarbid zeichnet sich besonders durch höhere Energieeffizienz und Kompaktheit aus.

„Bei der Stromversorgung von energieintensiven industriellen Anwendungen wie dem Zonenschmelzverfahren ist es erforderlich, mit hohen Frequenzen zu schalten“, erklärt der Leiter des Projekts, Dr. Rainer Kling vom LTI des KIT. „Siliciumcarbid ist für diese hohen Frequenzen noch nicht erprobt; wir betreten damit Neuland.“ Neben der Prüfung der Langzeitbeständigkeit gehören auch die Ansteuerung und das Layout der Schaltung zu den Aufgaben der KIT-Forscher im Verbundprojekt MMPSiC.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Projekt MMPSiC auf der Grundlage des Programms „Informations- und Kommunikationstechnologie 2020“ (IKT 2020) im Rahmen der Fördermaßnahme „Leistungselektronik zur Energieeffizienzsteigerung“ (LES 2) mit rund 800000 Euro. Davon erhält das LTI des KIT rund 439000 Euro. Insgesamt beträgt das Projektvolumen 1,3 Mio. Euro. Das Verbundprojekt startete 2014 und ist auf drei Jahre angelegt.

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