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(Quelle: Chaliya/shutterstock.com)

Der Energiebedarf nimmt zu

Wir alle kennen das Schlagwort „Energie sparen“. Gleichzeitig ist es eine Tatsache, dass die weltweite Nachfrage in nächster Zeit nicht sinken wird. Nach Angaben der Industrial Energy Association wird sie von 2018 bis 2040 sogar um etwa 50 Prozent steigen. Dabei werden optimistisch betrachtet nur zwei Drittel dieses Anstiegs aus erneuerbaren Quellen stammen. Mit ein wenig Nachdenken können wir feststellen, dass damit die tatsächliche Menge an fossilen Brennstoffen in etwa gleich bleibt. Man könnte denken, dass eine Zukunft mit mehr erneuerbaren Energien zur Folge hätte, dass die Effizienz der Energieumwandlung weniger ausschlaggebend wäre. Solarenergie erwärmt zum Beispiel die Umwelt, unabhängig davon, ob wir sie nutzen und in Elektrizität umwandeln oder nicht, oder ob wir damit ein Heizgerät betreiben. Verlorene Energie ist immer noch unnötige Geldverschwendung, vor allem bei den derzeit hohen Kosten für erneuerbare Energien. Da der Energiemix auf absehbare Zeit noch aus Öl und Gas sowie Sonne, Wind und anderen Energieträgern bestehen wird, bleibt die Effizienz des Energieumwandlungsprozesses von der Energiequelle bis zur Nutzung ein wichtiges Thema.

Energieumwandlung: Die Effizienz als zentrale Herausforderung

Moderne Designs mit Resonanzwandlertechnologien sind heute so effektiv, dass weitere Verbesserungen nur noch bei grundlegenden Bauelementeeigenschaften, insbesondere bei Halbleiterschaltern, möglich sind. Im Idealzustand sind sie in einem "Schaltmodus"-Design „Aus“ oder „Ein“, wobei in beiden Fällen keine Leistung abgeführt wird, sofern „Ein“ ein Kurzschluss ist. In der Realität können schon wenige Milliohm Einschaltwiderstand erhebliche Verluste verursachen, und da der Transistor zwischen den Zuständen „Ein“ und „Aus“ hin- und herpendelt, erzeugt er eine gewisse transiente Verlustleistung. Das Ausmaß der transienten Verlustleistung kann potenziell für einen sehr kurzen Zeitraum den Kilowattbereich erreichen. Um die Verluste niedrig zu halten, muss der Einschaltwiderstand also reduziert und das Gerät schneller geschaltet werden, so dass die transiente Verlustleistung kürzer und mit einem viel niedrigeren Durchschnittswert ausfällt. Herkömmliche Schalter auf Siliziumbasis wie IGBTs und MOSFETs entwickeln sich schrittweise weiter, aber neue Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) sind grundsätzlich noch besser geeignet und lassen auf weitere Effizienzsteigerungen hoffen.

SiC- und GaN-Bauelemente mit großer Bandlücke verkleinern die Effizienzlücke

SiC und GaN unterscheiden sich im Vergleich zu Silizium (Si) bis hinunter auf die atomare Ebene. Die große Bandlücke bezieht sich auf die Energie, die benötigt wird, um Elektronen im Material von einem "Valenzband" in ein "Leitungsband" zu bewegen, damit sie für den Stromfluss zur Verfügung stehen. SiC und GaN erreichen Werte, die etwa doppelt so hoch sind wie die von Si, und die Auswirkungen auf ein mit diesen Materialien hergestelltes Bauelement sind enorm. Der Einschaltwiderstand ist kleiner, das Schalten erfolgt schneller, die Betriebstemperatur ist höher, die Die-Flächen sind kleiner, und insbesondere bei SiC ist die Wärmeleitfähigkeit wesentlich besser als bei Si oder GaN. In Kombination bedeutet dies, dass weniger Wärme abgeführt wird, und was übrig bleibt, wird effektiv abgeführt, wodurch kleinere und effizientere Bauelemente entstehen. Darüber hinaus gibt es weitere Vorteile: Ein besserer Wirkungsgrad bedeutet weniger externe Kühlung; durch schnelleres Schalten können andere Systemkomponenten kleiner dimensioniert werden, was die Kosten und Produktabmessungen reduziert; die Ansteuerung der Schaltungen erfordert weitaus weniger Strom als bei vergleichbaren Si-Bauelementen; zudem sind SiC und GaN von Natur aus strahlungsfest (rad-hard). Aufgrund dieser Eigenschaften und ihrer Leistungsfähigkeit bei hohen Betriebstemperaturen sind sie für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt geeignet. Also, wo ist der Haken?

Halbleiter mit großer Bandlücke werden immer häufiger eingesetzt.

Entwickler mögen SiC und GaN, aber es gibt Vorbehalte: Da es sich um neue Technologien handelt, waren die Kosten bisher zwangsläufig höher. Diese gehen zurück, und die Hersteller behaupten bereits, dass die Gesamtkosten über die gesamte Lebensdauer niedriger sind, wenn man die Systemeinsparungen mit einberechnet. Auch die Ansteuerung der Bauelemente ist anspruchsvoller als bei Si, und in einigen Fällen warten die Anwender auf mehr Zuverlässigkeitsangaben, bevor sie den Umstieg von den etablierteren Si-Technologien vornehmen.

Die Hersteller von SiC- und GaN-Bauelementen bewegen sich inzwischen kontinuierlich auf dem Entwicklungspfad weiter, wobei die Technologie mit großer Bandlücke noch ein gutes Stück vor sich hat. Die Einschaltwiderstände sinken, die Nennspannungen steigen, neuartige Gehäuseanordnungen werden verwendet, um die Leistung der Bauelemente maximal auszunutzen, und es kommen immer mehr Zuverlässigkeitsdaten aus Labor und Praxis zusammen. Sogar die sensiblen Gate-Drive-Probleme werden mit Kaskodenkonfigurationen eines SiC- oder GaN-Bauelements im Zusammenspiel mit einem Si-MOSFET gelöst, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

SiC und GaN sind die Zukunft für Halbleiterschalter, wobei sich die Effizienzgewinne den theoretischen Grenzen nähern, die durch praktische Verbindungen gesetzt werden. Und zwar so lange, bis eine noch bessere Lösung gefunden wird und der Energietechniker ein weiteres Kaninchen mit großer Bandlücke aus dem Hut zaubert.