Power-Trends 2015 Wuchtiger Wachstumsschub in der SiC-Leistungselektronik

Redakteur: Gerd Kucera

Das Optimierungspotenzial bei Silizium ist ausgereift. Deshalb gehen die Experten bei Cree davon aus, dass Siliziumkarbid stark zulegen wird – vor allem in Anwendungen mit mittleren und hohen Volt-Zahlen.

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Bild 1: Erste kommerziell angebotene SiC-Gleichrichterfamilie für 50 A Nennstrom: Die hochleistungsfähigen SiC-Z-Rec-Schottky-Dioden der Reihe CPW5 von Cree machen Kostensenkungen, den hohen Wirkungsgrad, die geringe Systemkomplexität und die verbesserte Zuverlässigkeit der SiC-Technologie für Hochleistungssysteme von 50 kW bis 1 MW verfügbar.
Bild 1: Erste kommerziell angebotene SiC-Gleichrichterfamilie für 50 A Nennstrom: Die hochleistungsfähigen SiC-Z-Rec-Schottky-Dioden der Reihe CPW5 von Cree machen Kostensenkungen, den hohen Wirkungsgrad, die geringe Systemkomplexität und die verbesserte Zuverlässigkeit der SiC-Technologie für Hochleistungssysteme von 50 kW bis 1 MW verfügbar.
(Bild: Cree)

Herkömmliche IGBTs verlieren seit einiger Zeit an Boden und werden zunehmend durch Komponenten auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) ersetzt. Der Bedarf steigt insbesondere bei der industriellen Stromversorgung und Ladegeräten, da das Material wesentliche Vorteile bietet: bessere System-Performance durch höhere Nennleistung bei geringerer Verlustleistung. Experten erwarten daher für 2015 einen deutlichen Anstieg der Nachfrage bei SiC-MOSFETs und entsprechenden Power-Modulen.

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Der US-amerikanische SiC-Spezialist Cree verzeichnete bereits 2014 eine stark wachsende Nachfrage nach Produkten auf Basis von Siliziumkarbid. „2015 wird dieser Trend weiter anhalten; wir erwarten sogar ein außergewöhnlich erfolgreiches Jahr im Bereich Power-Produkte“, bestätigt Dieter Liesabeths, Director Power Sales bei Cree.

Glaubt man den Analysten von Yole Développement, einem renommierten französischen Marktforschungsinstitut, wird sich der Bedarf an SiC-Leistungshalbleitern im mittleren und Hochvolt-Bereich (1,2 bis 1,7 kV) bis 2020 global sogar verdoppeln. „In diesem Marktsegment ist Cree besonders gut aufgestellt“, erläutert Liesabeths, „so haben wir im Oktober 2014 das weltweit erste 1,7-kV-Power-Modul in reiner Siliziumkarbid-Technik vorgestellt. Damit ist es möglich, Kosten und Größe in Hochleistungsantrieben und netzgekoppelten Wechselrichtern extrem zu reduzieren.“

Zu den Haupteinsatzgebieten von SiC-Power-Modulen zählen Photovoltaikanlagen. Obwohl dieser Bereich in Deutschland eine schwierige Phase durchlebt hat, sieht Cree die Marktentwicklung durchaus positiv.

„Die Nachfrage nach SiC-Komponenten wird in diesem Bereich weiter steigen, denn die Branche installiert mehr Modulwechselrichter und größere Anlagen. Der Trend nimmt weiter an Fahrt auf, nicht zuletzt aufgrund der zunehmenden Bedeutung der erneuerbaren Energien in anderen Ländern“, so Dieter Liesabeths, „wir gehen zudem davon aus, dass 2015 die Nachfrage nach SiC-Power-Modulen und entsprechenden SiC-MOSFETs auch in anderen Sparten deutlich steigt, etwa bei industriellen Stromversorgungen und Ladegeräten.“

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Für anspruchsvolle Anwendungsbereiche hat Cree seine Familie SiC-basierter 1,2-kV-Six-Pack-Power-Module erweitert. Seit Oktober 2014 steht beispielsweise ein neues 20-A-Modul auf Basis der C2M-SiC-MOSFET-Technologie und der Z-Rec-SiC-Schottky-Diodentechnik von Cree zur Verfügung. Damit können Entwickler von Wechselrichtern die Nennleistung um etwa 40% erhöhen und die Verlustleistung halbieren.

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1,3 Millionen Euro für die Siliziumkarbid-Forschung

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.

Diese Vorteile sprechen für sich, sodass man davon ausgehen kann, dass SiC-MOSFETs im kommenden Jahr ihren Silizium-basierten Konkurrenten weiter Marktanteile abnehmen werden. Eine ähnliche Entwicklung erwartet Cree auch bei Silizium-IGBTs: Halbbrückenmodule wie etwa das 1,7-kV-Power-Modul treten an die Stelle von Silizium-IGBT-Versionen mit Nennströmen von 400 A und mehr.

Silizium-MOSFETs bleiben der größte Rivale

Eine Herausforderung, mit der Hersteller von SiC-Power-Komponenten bereits in den vergangenen Jahren konfrontiert waren, bleibt auch 2015 bestehen: Die Systemkosten müssen weiter gesenkt und die System-Performance gleichzeitig erhöht werden.

Die innovativen Lösungen wie etwa von Cree sind hier branchenweit richtungsweisend. Sie tragen dazu bei, die Aufwendungen auf der Systemebene zu senken und zahlen sich daher schneller für den Nutzer aus.

Mit der wachsenden Zahl von Unternehmen, die Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter und entsprechende Module herstellen, erwartet Cree für das Jahr 2015 eine noch höhere Akzeptanz der SiC-MOSFETs und Dioden, weil dem Kunden damit nun auch mehrere Sources zur Verfügung stehen.

„Der größte Rivale für Power-Produkte aus Siliziumkarbid sind und bleiben IGBTs & MOSFETs auf Silizium-Basis“, resümiert Dieter Liesabeths, „da jedoch das Optimierungspotenzial bei Silizium ausgereift ist, gehen wir davon aus, dass SiC erheblich zulegen wird, vor allem in Anwendungen mit mittleren und hohen Volt-Zahlen; das Spektrum reicht von USV-Systemen über die elektrische Antriebstechnik bis zu Komponenten für die Energieerzeugung und Verteilanlagen.“

Was den Mitgründer von Cree, John Palmour begeistert, sind die Anwendungen, die bisher noch kaum jemand in Betracht gezogen hat: „Siliziumkarbid hat inhärente Vorteile für Hochspannungsanwendungen, in denen herkömmliche Anwendungen nicht als wettbewerbsfähige Alternativen angesehen werden. Ich gehe fest davon aus, dass Hochspannungsanwendungen eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten eröffnen.“

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