Mit der raschen Zunahme der Weltbevölkerung im letzten Jahrzehnt, die inzwischen 8 Milliarden überschreitet, verzeichnet auch die Nachfrage nach Energie ein ähnliches Wachstum. Bis 2040 wird der weltweite Energiebedarf voraussichtlich um etwa 19 Prozent steigen. 40 Prozent des derzeitigen Energiebedarfs entfallen auf elektrische Energie. Dieser Anteil wird bis 2040 60 Prozent erreichen, sodass er dann mehr als die Hälfte des gesamten Energiebedarfs ausmachen wird.
Aktuell wird mehr als die Hälfte des weltweiten Strombedarfs durch fossile Brennstoffe gedeckt, was nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt zur Folge hat. Durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen nehmen die Treibhausgasemissionen zu, was wiederum die globale Erwärmung beschleunigt, die eine große Gefahr für das Leben der Menschen und anderer Arten auf der Erde darstellt.
Die Auswirkungen der globalen Erwärmung haben das Interesse an umweltfreundlicheren und mehr erneuerbaren Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasserkraft gesteigert. All diese Quellen sind in der Natur reichlich vorhanden und sie erzeugen Nebenprodukte wie Wasser, die ebenfalls ungefährlich sind und für andere Anwendungen wiederverwendet werden können. Doch selbst trotz der Vorteile dieser erneuerbaren Energiequellen scheint ihr Marktanteil verglichen mit fossilen Brennstoffen nur sehr langsam zu wachsen. Dies liegt hauptsächlich an den Schwankungen der Energienachfrage und am Einsatz von Gas- oder Kohlekraftwerken als Puffer, um diese auszugleichen.
Das Ziel besteht letztendlich darin, Energie nachhaltig zu nutzen und die Energieverschwendung so weit wie möglich zu reduzieren. Da wir uns nicht auf erneuerbare Energiequellen verlassen können, ist die Entwicklung von Technologien und Strategien zur Energieeinsparung entscheidend, um dieses Problem in den Griff zu bekommen. Laut der Canadian Association of Petroleum Producers (CAPP) würde die Welt zum Decken des aktuellen Bedarfs doppelt so viel Energie benötigen, wenn sich nicht in Bezug auf die Energieeffizienz laufend Verbesserungen erzielen ließen. Mit energieeffizienten Wandlern auf Basis von Leistungselektronik kann die Effizienz bei der Stromumwandlung teilweise bis zu 99 Prozent erreichen. Dazu erfahren Sie im Folgenden mehr.
Energieverluste von der Erzeugung bis zur Nutzung (Bildnachweis: reasearchgate.net)
Leistungselektronik in Antrieben mit Drehzahlregelung (Adjustable Speed Drives, ASD)
Bei den meisten Anwendungen, die physische Bewegungen beinhalten, wird das gesamte mechanische System von einem Elektromotor angetrieben. Mehr als 40 Prozent der gesamten elektrischen Energie wird von Elektromotoren verbraucht. Aufgrund von Anwendungen wie Förderbändern, Aufzügen, Bewegungssteuerungssystemen usw. ist der Energieanteil von Motoren in der Industrie mit etwa 65 Prozent sogar noch höher. Einige Anwendungen erfordern unterschiedliche Drehzahlen und Drehmomente – hier sind ASDs am effizientesten –, während andere Anwendungen mit konstanten Lastprofilen andere Antriebsarten aufweisen. Daher bietet sich eine große Chance, den weltweiten Energieverbrauch durch die Entwicklung energieeffizienter Motorantriebssysteme zu reduzieren.
Verglichen mit herkömmlichen Motorantrieben verbrauchen Antriebe auf Basis von Leistungselektronik deutlich weniger Energie, da der Energieverlust durch Wärme auf ein Minimum reduziert wird. Selbst die herkömmlichen Motorstarter wie diejenigen auf Basis von Widerstandsbänken sind äußerst ineffizient und bieten gemäß den aktuellen Normen eine schlechte Leistung. Mit der Einführung von Solid-State-Leistungselektronik-Bauelementen wie Thyristoren, Gleichrichtern, IGBTs und MOSFETs wurden effiziente Motorstarter entwickelt, die sich zum Nachrüsten eignen. Der SMCV6080, ein Induktionsmotor-Starter mit reduzierter Spannung von Celduc Relais ist ein solches Produkt mit Funktionen für Sanftanlauf und -auslauf. Dieser Starter verwendet sechs Thyristoren, die eine gleichmäßige Steuerung des Motors ermöglichen. Er verfügt über integrierte Mikrocontroller, sodass er auch Diagnose- und Selbsttestfunktionen bereitstellen kann.
Energieeffiziente Beleuchtung mit Leistungselektronik
Aufgrund ihrer durchgängigen Nutzung in der Nacht und auch tagsüber, insbesondere an Orten mit wenig Sonnenlicht, stellen elektrische Beleuchtungssysteme den zweitgrößten Verbraucher von elektrischer Energie dar. Elektrische Beleuchtung macht etwa 22 Prozent des weltweiten Verbrauchs von elektrischer Energie aus und bietet daher ein enormes Potenzial für Energieeinsparungen. Mindestens 20 Prozent der Energie lassen sich durch die Nutzung von Beleuchtungstreibern auf Basis von Leistungselektronik einsparen und diese Einsparungen können mithilfe von intelligenten Steuerungslösungen auf IoT-Basis weiter gesteigert werden. Seit der Einführung der ersten Glühbirne im Jahr 1879 haben sich die Technologien zur Herstellung von Lichtquellen deutlich weiterentwickelt. LED-Licht stellt dabei die effizienteste und modernste Lösung dar.
Leistungselektronik-Bauelemente wie TRIACS werden für die Entwicklung dimmbarer Treiber verwendet, die sowohl Glühbirnen als auch LED-Lampen steuern können, um Kosten zu sparen. LED-Treiber auf Basis von PWM (Pulsweitenmodulation) werden verwendet, um das Licht durch genaue Steuerung des Stromausgangs dimmen zu können. Dank der Fortschritte in der Leistungselektronik sind die LED-Treiber-ICs heute kleiner als eine Fingerspitze. Der ILD6150XUMA1 von Infineon Technologies ist ein solcher kompakter LED-Treiber für Hochleistungs-LEDs. Er bietet eine analoge PWM-Dimm-Steuerung und ist mit einem anpassbaren Überhitzungsschutz ausgestattet, da Hochleistungs-LEDs viel Wärme erzeugen.
Leistungselektronik auf Basis von Wide-Band-Gap-Technologien
Leistungselektronik kann beinahe überall eingesetzt werden, wo elektrischer Strom benötigt wird. Die Auswahl der richtigen Materialien für Halbleiterbauelemente spielt daher ebenfalls eine wichtige Rolle. Aufgrund seiner geringen Kosten und der hohen Spannungs- und Strombelastbarkeit war Silizium (Si) in den letzten Jahrzehnten die bevorzugte Wahl für die Entwicklung dieser Bauelemente. Da sich die Technologie jedoch immer mehr zu kleineren Größen mit größerer Effizienz entwickelt, sind die Grenzen der Si-Bauelemente inzwischen erreicht.
Leistungsvergleich zwischen Si, GaN und SiC (Bildnachweis: reasearchgate.net)
SiC (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid) sind vielversprechende neue Technologien, die viele Vorteile mit sich bringen und Si ersetzen können. GaN bietet Hochfrequenz-Schaltfähigkeit und eine Bandlücke von 3,2 eV, während die Bandlücke in Si nur 1,1 eV beträgt. Demgegenüber bietet SiC Hochtemperatur- und Hochspannungsfähigkeit und eine im Vergleich zu Si größere Bandlücke. Aufgrund all dieser Faktoren stellen SiC und GaN die Zukunft der Halbleiter dar und werden bei der Entwicklung von Bauelementen wie MOSFETs eingesetzt. Der GaN-Transistor GS065011 von GaN Systems ist ein Beispiel für ein solches Bauelement, das von den patentierten Island Technology-Zellenlayouts profitiert. Dieser Transistor bietet einen sehr geringen thermischen Widerstand von 150 mΩ und ermöglicht damit hocheffiziente Leistungsschaltungen für Anwendungen wie LED-Treiber, Batterieaufladungen, Motorantriebe usw.
Zukunftsperspektiven für Leistungselektronik-Bauelemente
Es steht außer Frage, dass die Menschheit heute vollständig von Elektrizität abhängig ist, um die Welt am Laufen halten zu können. Dadurch entsteht ein nahezu unendliches Potenzial für die Erforschung von Leistungselektronik-Bauelementen mit höherer Leistung und Effizienz. Ebenso muss erforscht werden, wie es gelingen kann, elektronische Geräte stets so nahe wie möglich an den idealen Bedingungen arbeiten zu lassen. Auf der anderen Seite ist die Nachhaltigkeit aufgrund des begrenzten Vorkommens von Rohstoffen wie Silizium und Gallium in der Umwelt ein wichtiger zu berücksichtigender Faktor. Mit zunehmender Leistung wird auch die Nachfrage nach diesen Wandlern steigen, was zum verstärkten Abbau dieser Rohstoffe führen wird. Daher wird es in Zukunft wichtig sein, beide Seiten der gesteigerten Erwartungen an Energieeinsparungen durch eine effiziente Energienutzung ins Gleichgewicht zu bringen.
