IGBT Leistungshalbleiter erschließen Energiesparpotenziale

Autor / Redakteur: Ulrich Nicolai * / Gerd Kucera

IGBT-Module sind Schlüsselkomponenten der Leistungselektronik, weshalb ihre Weiterentwicklung maßgebend für die Erhöhung der Energieeffizienz von elektrischen Systemen ist.

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Das SEMITRANS IGBT-Modul hat eine Modulinduktivität von nur 15nH. Die Module sind jetzt mit Fuji V-IGBT als Alternative zum IGBT4-Chips verfügbar.
Das SEMITRANS IGBT-Modul hat eine Modulinduktivität von nur 15nH. Die Module sind jetzt mit Fuji V-IGBT als Alternative zum IGBT4-Chips verfügbar.
(Bild: Semikron)

Um bis 2050 in Deutschland den Elektroenergieverbrauch auf etwa 80% des Standes von 2008 zu senken, muss der heutige Innovations-Boom der Leistungselektronik weiter anhalten. Wesentliche Energiesparpotenziale liegen in der zunehmenden Einführung moderner leistungselektronischer Stellglieder in immer weitere Wandlungsprozesse zwischen Elektroenergie und anderen Energieformen, einschließlich der Erzeugung aus erneuerbaren Energien.

Aus dem dezentralen und intermittierenden Aufkommen der wichtigsten erneuerbaren Energien resultieren neue Anforderungen an energieeffiziente Energiespeicherung und Energieverteilung. In unserem hochindustrialisierten Umfeld entfällt der Löwenanteil möglicher, direkter Energieeffizienzsteigerungen auf die industrielle Antriebstechnik, wohingegen im Bereich Elektromobilität die Ablösung fossiler Energieträger und eine Verminderung und Verlagerung von Schadstoffemissionen Priorität besitzen. Kernkomponenten der meisten leistungselektronischen Stellglieder zur Regelung von Energieflüssen sind heute Leistungshalbleitermodule, bestückt mit IGBTs und Leistungsdioden.

Mit der Energiewende sollen bis zum Jahr 2050 der Anteil erneuerbarer Energien am Elektroenergie-Mix auf möglichst 80% erhöht und so die Treibhausgasemissionen entsprechend reduziert werden. Hierzu muss die Wettbewerbsfähigkeit der erneuerbaren Energien verbessert werden. Dies ist eng an die Weiterentwicklung der Leistungshalbleitermodule gekoppelt, ohne die beispielsweise in Windenergie- und photovoltaischen Solaranlagen keine Energieflüsse zum Verbraucher geregelt werden können.

Aufgrund des intermittierenden und dezentralen Aufkommens der meisten erneuerbaren Energien sind begleitend neue, verlustarme Übertragungswege und Energiespeicher zu schaffen sowie vorhandene auszubauen. Hierzu werden ebenfalls effizient arbeitende leistungselektronische Stellglieder benötigt. Zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit sind Energieeinspeisung in das Versorgungsnetz und die Entnahme von Energie intelligent zu steuern sowie an Aufkommen und Bedarf anzupassen (Stichtwort smart grid) – das ist ein weiteres, bedeutendes Anwendungsfeld für Leistungshalbleiter.

Die technologischen Möglichkeiten einer Vielzahl elektroenergetischer Prozesse werden entscheidend durch Eigenschaften der Leistungshalbleiter bestimmt, etwa schaltbare Spannungen und Ströme, mögliche Schaltfrequenz oder Prozesswirkungsgrad. Durch Entwicklungsfortschritte bei Leistungshalbleitern werden verschiedene Prozesse heute überhaupt erst möglich, z.B. in der Elektrotechnologie und der Elektromedizin. Für andere Prozesse erschließt moderne Leistungselektronik erhebliche Einsparpotenziale im Elektroenergieumsatz, beispielsweise für viele energieaufwändige elektrotechnologische Materialbearbeitungen, wie Schmelzen, Schweißen und Härten.

Neben den heute vieldiskutierten Sparpotenzialen hybrid oder vollelektrisch angetriebener Straßenfahrzeuge bei fossilen Energieträgern, ermöglichen moderne Leistungshalbleiter auch deutliche Kraftstoffeinsparungen in konventionellen Kraftfahrzeugen - beispielsweise im PKW durch elektrifizierte Nebenaggregate wie Lenkung, Öl- und Wasserpumpe sowie Klimakompressor (etwa 10 bis15%). Auch ein modernes LED-Fahrlicht mit elektronischer Steuerung benötigt nur etwa 50% der Energie von Halogenscheinwerfern.

Wesentliche Fortschritte wurden in den letzten Jahren auch im Bereich der Konsumelektronik erzielt. So sank beispielsweise der Energieverbrauch von Kühl- und Gefriergeräten zwischen 2001 und 2006 um 55% und bis 2010 um weitere 20%.

Diese Aufzählung könnte fast beliebig fortgesetzt werden. Das bedeutendste Einsatzgebiet moderner Leistungshalbleiter ist jedoch weiterhin die industrielle Antriebstechnik mit ihren hohen jährlichen Wachstumsraten von mehr als 14% bis 2016. Da bereits 2010 mit 200 Mrd. kWh fast 40% des deutschen Elektroenergiebedarfes auf elektrische Antriebe entfielen, bestehen hier traditionell die größten Möglichkeiten zur Erhöhung der Energieeffizienz.

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