Der Klimawandel zwingt die Industrie zur Entwicklung alternativer Energielösungen. Innovative Technologien wie Solar- und Windenergie ersetzen immer schneller herkömmliche Brennstoffkraftwerke und die Kosteneinsparungen durch Energiespeicherungs- und -nutzungsverfahren übertreffen mittlerweile die kostspieliger Spitzenlast-Gaskraftwerke.
Regierungen unterstützen diese relativ neuen Technologien mit Richtlinien und Anreizen und es gibt heute viele Möglichkeiten für Verbesserungen und Wachstum auf dem Gebiet öffentlicher Energieinfrastrukturen und der zugehörigen Netzstrukturen.
Jüngste Fortschritte für größere Verbesserungen
Stromnetzstrukturen bestanden früher aus Stromlieferung in nur einer Richtung und begrenzter Energieerzeugung in auf fossilen Brennstoffen, Wasser- oder Kernkraft basierenden Kraftwerken. Durch die jüngsten Fortschritte bei Techniken rund um erneuerbare Energien und Energy Harvesting konnten diese Netze weitere stromerzeugende Quellen (Wind und Sonne) nutzen und dabei flexible Möglichkeiten der Zwei-Wege-Verteilung schaffen, um dem schwankenden Bedarf gerecht zu werden und neue Speicheroptionen zu ermöglichen.
Speziell bei der Solarenergie erfordert eine Installation typischerweise Wechselrichter, die von den Photovoltaik(PV)-Modulen erzeugte DC-Spannung in AC-Spannung umwandeln, welche dann wieder in das Netz eingespeist wird. Eines der am weitesten verbreiteten Verfahren dafür ist der Strangwechselrichter. Dabei wird die DC-Spannung aus einem Strang von Sonnenkollektoren zunächst in eine DC/DC-Boost-Stage, dann in einen DC/AC-Wechselrichter geleitet und anschließend mit dem Netz verbunden.
Abbildung 1 zeigt ein typisches Blockdiagramm für einen Solarstrangwechselrichter, vollständig mit Gate-Driving, Sensorik und Verarbeitung. Die Stromversorgung geschieht bei dieser Konfiguration gewöhnlich mit IGBTs, Hochspannungs-FETS und, am häufigsten, PIMs (Power Integrated Modules), die integrierte IGBTs und Dioden enthalten.
Eine weitere umweltbewusste Branche mit ähnlich hohem Strombedarf ist das Laden von Elektrofahrzeugen. Die Beliebtheit von Elektrofahrzeugen nimmt mit einer beispiellosen Geschwindigkeit zu, aber die Versorgung mit Ladestationen hält damit bislang leider nicht Schritt. Die Infrastruktur für das Laden von Elektrofahrzeugen hat bei Weitem noch nicht das Versorgungsniveau des allgemeinen Tankstellennetzes erreicht und bietet auch noch nicht die Ladezeiten, die Kunden erwarten, um ihre Fahrt mit minimalen Unterbrechungen fortsetzen zu können. DC-Schnellladesysteme (gegenüber langsameren AC-basierten Ladesystemen) mit einem Leistungsniveau von 350 kW können ein Fahrzeug in weniger als 10 Minuten vollständig aufladen.
Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein typisches DC-Schnellladeblockdiagramm mit den Leistungspfadkomponenten sowie der zugehörigen Verarbeitung und Peripheriegeräten.
Offenbar ermöglichen auf Siliziumkarbid (SiC) basierende Komponenten bessere Stromversorgungslösungen für öffentliche Energieinfrastruktureinrichtungen wie Stromnetze und Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Solche Lösungen können wiederum weitere Verbesserungen hinsichtlich der Reduzierung von Leitungsverlusten, des Leckstroms, des Wärmemanagements, der Spitzenstromkapazität und der Leistungsdichte ermöglichen. Mehr noch: SiC-basierte Technologien bieten eine insgesamt höhere Effizienz bei gleichzeitig größerer Zuverlässigkeit und geringerem Platzbedarf. Branchenführende Unternehmen wie onsemi bieten ganze Familien von SiC-Geräten an. Sehen wir uns diese Geräte und einige ihrer Anwendungsgebiete daher etwas näher an.
SiC-Technologie – Eine bessere Lösung
Ob es um Solarenergie, das Laden von Elektrofahrzeugen oder sogar um Server-Farmen geht: Die SiC-Technologie bietet nachweislich höhere Leistungen als herkömmliche Siliziumkomponenten und Module wie Silizium-IGBTs oder -MOSFETs. Beginnen wir aber mit einem Thema, das alle Techniker am meisten beschäftigt: die Effizienz.
Wie sorgt SiC für eine höhere Effizienz? Dies liegt an zahlreichen Faktoren; hauptsächlich basieren die Vorteile von SiC aber auf höheren Betriebstemperaturen und Frequenzen (bis zu 1 MHz) mit geringeren Leitungsverlusten (Vf) sowie einer höheren maximalen Spannung und höherem Nennstrom (Drain-Source-Spannung bis 1.800 V und Stromkapazität bis zu 100 A). Diese Faktoren sorgen für eine höhere Energieeffizienz und geringeren Kühlungsbedarf gegenüber Silizium-MOSFETs.
Abbildung 3 zeigt ein Diagramm dazu, wie die SiC-Technologie einige der höchsten Gesamtkapazitäten für Hochspannungs- und Hochstromanwendungen bereitstellt.
Da der Einschaltwiderstand solcher SiC-Geräte geringer und die Stromkapazität so viel höher ist, bietet eine auf SiC basierende Lösung eine höhere Betriebseffizienz.
Abbildung 4 zeigt, wie eine auf SiC basierende Diode und ein MOSFET gemeinsam die Energieeffizienz eines 5-kW-Aufwärtswandlers verbessern können, indem die Leitungsverluste um bis zu 73 % reduziert werden.
Der Platzbedarf für auf SiC basierende Schaltkreise ist aufgrund der geringeren Größe der zugehörigen Induktoren und Kondensatoren generell viel geringer. Tatsächlich ist dieser aufgrund der im Vergleich mit siliziumbasierten Schaltkreisen auf dem gleichen Leistungsniveau höheren Schaltfrequenzen in manchen Fällen sogar um bis zu 75 % geringer. Dadurch entsteht die höhere Leistungsdichte. Und obwohl SiC-MOSFETs typischerweise viermal so teuer sind wie herkömmliche Silizium-MOSFETs, sind die Gesamtsystemkosten durch diese kleineren Induktoren und Kondensatoren geringer.
Was die Montage und die mechanische Integration betrifft, so konnte gezeigt werden, dass PIMs von onsemi – wie beispielsweise die Q0/Q1/Q2PACK-Module mit SiC-Komponenten zur Reduzierung der Gesamtzahl der Komponenten – bei insgesamt kürzeren Markteinführungszeiten den Fertigungsprozess vereinfachen und das Entwicklungsrisiko reduzieren.
Darüber hinaus erfordern eigenständige, nicht integrierte Lösungen normalerweise mehr Zeit für die Montage von Wärmemanagementkomponenten wie Isolationspads und Kühlkörpern und bergen höhere Risiken für schlechte thermische Kontakte. PIM-Lösungen ermöglichen einen viel einfacheren Montageprozess, was zu einem geringeren Zeit- und Kostenaufwand für die Montage führt und die Zuverlässigkeit erhöht. Gleichzeitig entsteht durch die Leistungsdichtevorteile ein kompakteres Endprodukt.
Abbildung 5 zeigt einen Vergleich der Montageprozesse für eine eigenständige Lösung und ein PIM-Modul.
Verwendung der Stromversorgungslösungen von onsemi für moderne SiC-Anwendungen
Die PIM-Module von onsemi bieten schnelleres Schalten, höhere Energieeffizienz und höhere Leistungsdichte. Damit ermöglichen diese Module die Reduzierung der Größe und der Kosten für Systeme – doch dies ist noch nicht alles. PIM-Module werden nicht immer gegenüber eigenständigen Komponenten vorgezogen. Die entsprechende Entscheidung basiert auf den Versorgungswerten der Anwendung sowie auf Überlegungen zur Leistung und zu den Kosten. onsemi bietet sowohl eigenständige als auch PIM-SiC-Lösungen an.
Abbildung 6 zeigt Möglichkeiten für die Entscheidung zwischen einer eigenständigen und einer PIM-Lösung.
Hilfsspannungsversorgungen mit Hochspannung für Anwendungen wie UPS, Motorantriebe oder einen PV-Wechselrichter haben typischerweise eine Zwischenkreisspannung zwischen 300 und 1.000 VDC. Daher ist es schwierig, Hilfs-PSUs mit niedrigerer Spannung in Displays, Lüfter oder Heizgeräte zu integrieren. SiC-MOSFETs arbeiten jedoch mit einer höheren Sperrspannung und einem breiteren Eingangsspannungsbereich, was mehr Systemflexibilität und -kapazität ermöglicht. Darüber hinaus führen höhere Frequenzen und ein niedrigerer Einschaltwiderstand zu viel kleineren und leistungsstärkeren Lösungen, wie oben im Abschnitt zu den Vorteilen von SiC erwähnt. Sehen wir uns einen direkten Vergleich zwischen einer ESBC-konfigurierten Stromversorgung mit 75 kHz und einer SiC-basierten Stromversorgung mit 300 kHz an. Das SiC-Gerät ist kleiner (etwa halb so groß), bietet 20 % mehr Strom und eine deutlich höhere Energieeffizienz.
Abbildung 7 zeigt einen Vergleich von Größe und Effizienz.
onsemi bietet eine große Auswahl an Schalttechnologien und Pakettypen basierend auf den Anforderungen unterschiedlicher Anwendungen sowie isolierte Treiber.
Abbildung 8 zeigt das gesamte SiC-Geräteportfolio von onsemi.
Fazit
Die SiC-Technologie bietet viele Vorteile, die die Energieeffizienz und die Systemzuverlässigkeit der energieintensiven Hardware verbessert, die für eine schnell wachsende und staatlich geförderte öffentliche Energieinfrastruktur benötigt wird – bei insgesamt niedrigeren Systemkosten und geringerem Platzbedarf.
Ob es um ein Stromnetz geht, das erneuerbare Energie nutzt, um eine Ladestation für Elektrofahrzeuge oder um andere Hochspannungs-/Hochstrom-Anwendungen: Der Vorteil von SiC sollte auf jeden Fall berücksichtigt werden. Erkunden Sie das branchenführende Produktportfolio von onsemi auf Arrow.de mit seiner umfassenden Auswahl an SiC-Geräten für alle Anwendungsbereiche.