Wuchtiger Wachstumsschub in der SiC-Leistungselektronik

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Den Wirkungsgrad der Stromversorgung in industriellen Prozessen zu erhöhen und dadurch Energie und CO₂ einzusparen, ist Ziel des neuen Verbundprojekts „Modulare Mittelfrequenz-Prozessstromversorgung mit Siliziumkarbid-Leistungshalbleiterschaltern“, kurz MMPSiC: Forscher am Lichttechnischen Institut (LTI) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) untersuchen gemeinsam mit den Industriepartnern TRUMPF Hüttinger und IXYS Semiconductor den Einsatz von Leistungshalbleiterschaltern aus Siliziumkarbid. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit insgesamt 1,3 Millionen €. Von der Halbleiterfertigung über die Beschichtung von Displays bis hin zu Prozessen im Automobilbau verbrauchen viele industrielle Verfahren große Mengen elektrischer Energie. Darunter sind auch Technologien, 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 Solarzellen.

Zur Stromversorgung von Zonenschmelzanlagen werden bis jetzt auf Röhrentechnologie basierende Systeme eingesetzt, die einen elektrischen Wirkungsgrad von maximal 65% aufweisen. Durch eine Umstellung auf Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid ließe sich der Wirkungsgrad der Prozessstromversorgungen auf über 80% 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 einzelnen 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 ergeben.

Die Realisierbarkeit solcher Prozessstromversorgungen untersuchen die Forscher am Lichttechnischen Institut des KIT gemeinsam mit den Partnern TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG in Freiburg und IXYS Semiconductor GmbH in Lampertheim im Verbundprojekt MMPSiC. Als Halbleitermaterial bietet Siliziumkarbid verschiedene Vorteile: Aufgrund der größeren elektronischen Bandlücke ermöglicht es beispielsweise deutlich höhere Betriebstemperaturen als konventionelle Halbleiter in Silizium. Leistungselektronik, basierend auf Siliziumkarbid-Halbleitermaterial, zeichnet sich schließlich besonders durch höhere Energieeffizienz und Kompaktheit aus.

Bei der Stromversorgung von energieintensiven industriellen Anwendungen wie dem Zonenschmelzverfahren ist es erforderlich, mit hohen Frequenzen oberhalb von 2 MHz zu schalten. Siliziumkarbid ist aber für diese erforderlichen hohen Frequenzen noch nicht erprobt; man betritt damit Neuland. Neben der Prüfung der Langzeitbeständigkeit gehören auch grundlegende Arbeiten im Bereich der Leistungshalbleiter-Modulentwicklung, sowie Untersuchungen von Schaltungs- und Steuerungstechnologien zu den Aufgaben der KIT-Forscher im Verbundprojekt MMPSiC. Das Verbundprojekt startete im vergangenen Jahr und ist auf drei Jahre angelegt.