Leistungselektronik: Kernkomponenten einer nachhaltigeren Welt
Bei der Erzeugung, Verteilung und Nutzung von elektrischer Energie kommt der Leistungselektronik eine wachsende Bedeutung zu. Damit trägt sie erheblich zur Effizienz zunehmend nachhaltiger Gesellschaften bei.
Für die Transformation in eine klimaneutrale und digitale Gesellschaft sind Leistungshalbleiter unersetzlich. Insbesondere die Sektoren Industrie, erneuerbare Energien und Automotive sorgen aktuell und in Zukunft für steigende Nachfrage. Immer mit den Zielen CO2-Emissionen zu reduzieren, Systemeffizienzen zu steigern und die Digitalisierung voranzutreiben. Nicht überraschend stehen deshalb Anwendungen wie Elektroautos, Photovoltaik oder Windkraftanlagen im Mittelpunkt.
Die Analysten der Yole Group erwarten jährliche Wachstumsraten von knapp sieben Prozent zwischen 2021 und 2027. Europa ist in dem Segment mit dreißig Prozent Anteil Weltmarktführer. Und die Unternehmen investieren weiter, auch hierzulande. So baut etwa Infineon eine 300mm Smart Power Fab für Analog/Mixed-Signal-Technologien und Leistungshalbleiter am Standort Dresden. Vishay Intertechnology eine 300mm-Fabrik für Automotive-MOSFETs in Itzehoe. Der US-Konzern Wolfspeed steckt 2,75 Milliarden Euro in das weltweit größte Werk für SiC-Powerchips im Saarland. Und Bosch will bis Ende 2023 seine Waferfab für SiC-Chips in Reutlingen um weitere 3.000 Quadratmeter erweitern.
Beispiele für zukünftige Leistungshalbleiter: Siliziumkarbid und Galliumnitrid
Leistungselektronische Bauelemente aus Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) betreten dabei neben den auf Silizium basierenden Technologien zunehmend das Feld. Diese Wide-Bandgap-Halbleiter erlauben schnellere und verlustärmere Bausteine für Wechselrichter mit Wirkungsgraden von bis zu 99 Prozent. Sie sind in der Lage höhere Spannungen bei höheren Frequenzen zu schalten als dies bei Silizium möglich ist – und das bei geringerem Kühlungsbedarf. Kürzere Schaltzeiten der Leistungselektronik verringern die Energieverluste signifikant und tolerieren gleichzeitig kompaktere passive Komponenten wie Induktivitäten oder Kondensatoren.
Die Effizienz der Leistungshalbleiter beschränkt sich also nicht nur auf elektrische Rahmenbedingungen, sondern schließt ebenso eine Masse- und Volumenreduktion ein. Für Elektrofahrzeuge bedeutet das mehr Reichweite pro Ladung.
Noch sind Chips aus Siliziumkarbid und Galliumnitrid im Vergleich zu den siliziumbasierten Pendants um einiges teurer. So sind die Kosten für einen SiC-Wafer wegen der deutlich aufwendigeren und langwierigeren Herstellungsverfahren etwa 20-mal höher als bei einem Siliziumwafer. Kostensenkungen versprechen sich die Hersteller durch die 300mm-Wafer-Techologie.
Außerdem befindet sich SiC- und GaN-Leistungselektronik als Schrittmachertechnologie noch in einem frühen Stadium. Verbesserungen in Richtung Stabilität und Zuverlässigkeit, insbesondere bei Anwendungen mit langen Betriebszeiten, sind deshalb nach wie vor Gegenstand der Entwicklung.
Die vier Typen der Leistungshalbleiter
Wide-Bandgap-Halbleiter sind also nicht grundsätzlich die bessere Lösung. Schließlich bestimmen neben der Energieeffizienz die Kosten, Lebensdauer, der Leistungsbereich und andere Randbedingungen das Design. Aktuell stehen abgesehen von Hybridtechnologien vier wesentliche Schaltertypen in der Halbleitertechnologie zur Verfügung.
- Silizium basierte IGBT
Noch punkten siliziumbasierte Lösungen mit einem wettbewerbsfähigen Kosten-/Leistungsverhältnis und hoher Zuverlässigkeit. Zudem reduzieren neue Generationen von Si-IGBTs (insulated-gate bipolar transistor) weiterhin Leistungsverluste und Formfaktoren bei gleichbleibend hoher Robustheit. Und mit dem Einzug der 300-mm-Wafertechnologie steht der Leistungselektronik eine deutliche Stückzahlsteigerung bevor.
Si-IGBTs kommen in Elektroautos als Kontrollchips in ECU, MCU, VCU oder als Steuerungselemente in elektrischen Komponenten von der Powerbatterie bis hin zur Lenkung zum Einsatz. Aber auch energieintensive Geräte wie Kühlschränke, Klimaanlagen, Hochgeschwindigkeitszüge oder Ladesäulen für Elektrofahrzeuge setzen auf Leistungshalbleiter auf Basis von Silizium-IGBTs. - Silizium basierte MOSFETS
Während sich IGBTs als Leistungsschalter bei Netzspannung und im Antriebsbereich durchgesetzt haben spielt der MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) seine Stärken bei hohen Frequenzen und meist geringeren Spannungen aus. Dort bieten Schaltnetzteile mit herkömmlichen Si-MOSFETs nach wie vor Verbesserungen beim Wirkungsgrad.
Besonders die Automobilindustrie fragt der Yole Group zufolge Niederspannungs-MOSFETs für Nebenaggregate sowie Hochspannungs-MOSFETs für DC-DC-Wandler und On-Board-Ladegeräte im Rahmen der Elektrifizierung nach. - Siliziumkarbid basierte MOSFETs
Trotz rasant wachsender Nachfrage in der Leistungselektronik, sind diskrete SiC-MOSFETs erheblich teurer als äquivalente Siliziumbausteine. Die Vorteile gleichen aber zunehmend Kostennachteile aus. So blockieren sie bis zu zehnmal höhere Spannungen als Siliziumstrukturen und schalten etwa zehnmal schneller. Vorrangig geht es nun darum, die Konkurrenzfähigkeit von Siliziumkarbid (SiC) innerhalb der Halbleitertechnologie auf der Kostenseite zu verbessern.
Die Palette möglicher Anwendungen reicht von Wechselrichtern für Plug-in-Hybride (PHEV) und vollelektrische Fahrzeuge (EV) bis hin zu Ladestationen, Servo-Antrieben und Onboard-Ladegeräten. - GaN-Leistungshalbleiter
GaN entwickelt sich neben Silizium und Siliziumkarbid zu einem entscheidenden Material für Leistungshalbleiter. Wie SiC bietet das Wide-Bandgap-Material höhere Leistungsdichten und Wirkungsgrade insbesondere bei höheren Schaltfrequenzen.
GaN-Halbleiter kommen in Komponenten, Bauteilen und Schaltungen von 5G-Basisstationen zum Einsatz, finden in Zukunft aber auch in der Automobilelektronik Platz. Aktuell punktet das Material bei ganz speziellen, effizienzgetriebenen Anwendungen wie etwa beim kabellosen Laden von E-Autos, in 5G-Verstärkermodulen oder in Wandlern für die Integration von Microgrids in ein Smart Grid.
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