Leistungshalbleiter erschließen Energiesparpotenziale

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Energieeffizienzsteigerung bei Industrieantrieben

Bild 1: Auswirkungen der Weiterentwicklung von Leistungsmodulen auf Systemleistung und -kosten in Anwendungsbereichen wie Antriebe, Stromversorgungen und elektrotechnologische Anlagen
(Bild: Semikron)

Von den etwa 35 Mio. in Deutschland betriebenen Drehstrommotoren sind heute nur etwa 15% elektronisch geregelt. Im Mittelpunkt der Anstrengungen muss es somit stehen, den Energieverbrauch jener etwa 50% der Antriebe zu senken, die häufig im Teillastbereich betrieben werden und deren Belastung über die Drehzahl beeinflusst werden kann, z.B. Pumpen-, Verdichter-, Kompressor- oder Lüfterantriebe.

Auf diese Antriebe entfällt heute der größte Anteil in Industrieantrieben umgesetzter Elektroenergie. Eine Verminderung des Volumenstroms kann durch intermittierenden Betrieb, Polumschaltung im Motor oder elektronische Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter erfolgen. Aufgrund der quadratischen Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie M ~ n² bewirkt die Drehzahlabsenkung im Teillastbereich niedrigeren Energieumsatz gegenüber einer mechanischen Volumenstromreduzierung durch Drosselventil oder Bypass.

Kombiniert mit dem Austausch älterer Motoren sieht der ZVEI allein hier ein Einsparpotenzial von jährlich 38 Mrd. kWh, das der Stromerzeugung von 16 Kraftwerksblöcken der 400-MW-Klasse entspricht. Um die Akzeptanz für einen umfassenden Einsatz der zur Drehzahlregelung notwendigen Frequenzumrichter zu erhöhen, müssen zwangsläufig höheren Anlagenkosten zusätzlich zur Energiekostensenkung weitere Vorteile gegenüberstehen, wie komfortable Regelbarkeit, hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer, niedriger Kühlungsaufwand, akzeptabler Geräuschpegel, geringe Netzrückwirkungen, niedriges Gewicht und kleine Abmessungen.

Moderne Leistungshalbleiter als Schlüsselkomponenten

Obwohl der Anteil der Leistungshalbleiterverluste an den Gesamtverlusten des Antriebs weit weniger als 1% beträgt und damit deutlich unter dem Anteil der Maschinenverluste (5 bis 15%) und der Verluste in der Peripherie liegt, ist die Weiterentwicklung von IGBT-Leistungshalbleitermodulen als Schlüsselkomponenten der Frequenzumrichter substanziell für die Dynamik der Energieeffizienzsteigerung in der Antriebstechnik. So kann beispielsweise der Systemwirkungsgrad durch den Einsatz entsprechender Leistungselektronik weiter erhöht werden, die Steuerverfahren ermöglicht, welche die Maschinenverluste im Rahmen der physikalischen Möglichkeiten minimieren.

Gemeinsam mit dem akzeptanznotwendigen Zwang zur permanenten Kostensenkung steht trotz alledem die Senkung der Verluste in den Leistungshalbleitern im Fokus: Kann der Kühlaufwand verringert werden, wird beispielsweise der Einsatz kleinerer, leichterer und preiswerterer Kühlkörper möglich. Auf Zwangskonvektion (verbunden mit Geräuschemission und verschleißbehafteten mechanischen Lüftern oder Pumpen) kann gegebenenfalls verzichtet werden; höhere Betriebstemperaturen sind möglich. Somit können Anlagenkosten sinken und gleichzeitig werden durch geringere thermische Beanspruchung Zuverlässigkeit und Lebensdauer erhöht.

Entwicklungsrichtungen bei IGBT-Modulen

Wichtigste Ziele der Weiterentwicklung leistungselektronischer Systeme sind die Senkung von Kosten, Verlusten, Gewicht und Volumen, verbunden mit der Erhöhung der Systemzuverlässigkeit. Bild 1 zeigt am Beispiel von Leistungshalbeitermodulen, wie sich deren Weiterentwicklung auf Leistungssteigerungen und Kostensenkungen im Gesamtsystem auswirken kann. Als Beispiele sollen nachfolgend Innovationen bei Aufbau- und Verbindungstechnik sowie neuen Halbleitermaterialien beschrieben werden.

Aufbau- und Verbindungstechnik von IGBT-Leistungsmodulen

Gegenüberstellung von Standard-Aufbautechnologie (Löten/Bonden) und SKiN-Technologie: thermische Teil-Übergangswiderstände eines Standard-Leistungsmoduls und eines Leistungsmoduls in Semikron-SKiN-Technologie mit Sinterverbindung zum Kühlkörper
(Bild: Semikron)

In vielen Applikationen müssen Antriebe auch bei sehr niedriger Grundwellenfrequenz ein hohes Drehmoment liefern, was thermisch eine hohe zyklische Belastung der Leistungshalbleiter bedeutet, die zum Verschleiß herkömmlicher Löt- und Bondverbindungen in den IGBT-Modulen führt. Da deren Lastwechselfestigkeit bei großen Leistungen eine wesentliche Einsatzbeschränkung darstellt, wurden und werden neue, robustere Aufbau- und Verbindungstechnologien entwickelt. Beispiele sind die bodenplattenlosen, intelligenten SKiiP4-IGBT-Leistungsmodule von Semikron mit Druck- und Federkontakten sowie Niedertemperatur-Diffusions-Sintertechnologie (NTV) anstelle einer Lotschicht unter den Chips.

Konsequente Anwendung der Sintertechnologie auf alle lastzyklisch beanspruchten Verbindungen ist die von Semikron vorgestellte SKiN-Aufbautechnologie, die alle Löt- und Bondverbindungen sowie die Wärmeleitpastenschicht zwischen Leistungsmodul und Kühlkörper durch Sinterschichten ersetzt (Bild 2).

Unter gleichen Kühlbedingungen kann damit der thermische Übergangswiderstand R_th(j-a) zwischen Chip und Kühlmedium um 30% sinken, was gegenüber konventionellen Leistungsmodulen eine Verdoppelung der Stromdichte auf etwa 3 A/cm² zulässt, d.h. deutliche Leistungssteigerung oder eine Volumenverringerung um bis zu 35%. Aufgesinterte SKiN-Flexschichten ersetzen die herkömmlichen Bonddrähte, was gegenüber gebondeten Modulen einen um etwa 25% höheren Stoßstrom-Grenzwert ermöglicht. Die ausgezeichneten thermischen und elektrischen Eigenschaften der Sinterschichten lassen eine bis zu zehnfache Steigerung der Modullebensdauer erwarten.

Neue Halbleitermaterialien für die Leistungselektronik

Schaltverluste von Freilaufdioden aus Si und aus SiC im Vergleich
(Bild: Semikron)

Wide-BandGap-Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnidrid (GaN) weisen gegenüber Silizium einen größeren energetischen Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband auf, woraus vergleichsweise niedrigere Verluste, höhere Chiptemperaturen und eine bessere Wärmeleitfähigkeit resultieren können. Am weitesten fortgeschritten ist die Entwicklung von SiC-Dioden und -Transistoren, wobei das größte Problem noch in der Fertigung der benötigten Chipgrößen ohne Kristalldegradationen liegt – heute gegenüber identisch großen Si-Chips noch zu einem 10 bis 15-fach höheren Preis.

1200-V-SKiM-Module mit Freilaufdioden aus Si und SiC im Vergleich
(Bild: Semikron)

Heutige SiC-Schottkydioden verursachen im Vergleich zu Si-Freilaufdioden gleicher Stromdichte um 10 bis 40% höhere Leitverluste, jedoch nur 5 bis 10% deren Schaltverluste (Bild 3). Für dreiphasige Semikron-SKiM-Module 1200 V, 300 A und 600 A mit Si-IGBTs und SiC-Freilaufdioden resultieren daraus z.B. bei 30 kHz um 45% niedrigere Gesamtverluste im Si/SiC-Modul oder die Möglichkeit einer Stromerhöhung um bis zu 70% gegenüber dem reinen Si-Modul (Bild 4).

Fortschritte steigern die Energieeffizienz

Die Weiterentwicklung von IGBT-Modulen fördert entscheidend die Verbreitung verlustarmer leistungselektronischer Stellglieder und trägt somit zur Steigerung der Energieeffizienz in der Antriebstechnik und weiteren Anwendungen bei, wie die Wandlung erneuerbarer Energien, elektrotechnologische Prozesse, Traktion, Elektromobilität, Stromversorgungstechnik und Konsumelektronik. Neben der Verbesserung von Eigenschaften fördern Kostensenkungen die Akzeptanz und somit die weitere Verbreitung Energie sparender Systeme.

* * Dr. Ulrich Nicolai ist Application Manager bei der Semikron Elektronik GmbH & Co. KG, Nürnberg.

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