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09.02.2015 | Automobil + Motoren | Nachricht | Onlineartikel

Wissenschaftler untersuchen Leistungshalbleiterschalter aus Siliziumkarbid

Autor:
Katrin Pudenz

Forscher am Lichttechnischen Institut (LTI) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersuchen mit den Industriepartnern Trumpf Hüttinger und IXYS Semiconductor den Einsatz von Leistungshalbleiterschaltern aus Siliziumkarbid. Ziel des Verbundprojekts MMPSiC ist die Erhöhung des Wirkungsgrads der Stromversorgung in industriellen Prozessen und die Einsparung von Energie und CO2.

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 Techniken, 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 Silizium-Einkristalle für die Herstellung von integrierten Schaltungen oder auch Solarzellen.

Zur Stromversorgung von Zonenschmelzanlagen werden bis jetzt auf Röhrentechnik basierende Systeme eingesetzt, die einen elektrischen Wirkungsgrad von maximal 65 Prozent aufweisen, erläutern die KIT-Ingenieure. Durch eine Umstellung auf Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid ließe sich der Wirkungsgrad der Prozessstromversorgungen auf über 80 Prozent 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 mal 150 kW Prozessstromversorgungen, bei einer jährlichen Laufzeit von 4800 Stunden eine Einsparung von mehr als 200.000 kWh elektrischer Energie und damit 109 Tonnen CO2 (Umweltbundesamt, Stand Juli 2013) ergeben, berichten die Experten aus Karlsruhe.

Siliziumkarbid bietet verschiedene Vorteile

Die Realisierbarkeit solcher Prozessstromversorgungen untersuchen LTI-Forscher des KIT gemeinsam mit den Partnern Trumpf Hüttinger (Freiburg) und IXYS Semiconductor GmbH (Lampertheim) im Verbundprojekt "Modulare Mittelfrequenz-Prozessstromversorgung mit Siliziumkarbid-Leistungshalbleiterschaltern" (MMPSiC). Als Halbleitermaterial bietet Siliziumkarbid verschiedene Vorteile, betonen die Wissenschaftler: Dank der größeren elektronischen Bandlücke ermögliche es deutlich höhere Betriebstemperaturen als konventionelle Halbleiter. Leistungselektronik mit Siliziumkarbid zeichne 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. "Siliziumkarbid 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 800.000 Euro. Davon erhält das LTI des KIT rund 439.000 Euro. Insgesamt beträgt das Projektvolumen 1,3 Millionen Euro.

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