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Die heutigen Industrieapplikationen haben die Zukunft der Energieversorgung für immer verändert. Angesichts höherer Leistungsanforderungen und der gleichzeitigen Wichtigkeit von Effizienz sind Entwickler aus den verschiedensten Märkten auf der Suche nach Lösungen, um diese gestiegenen Anforderungen zu erfüllen. Eine Lösung heißt Siliziumkarbid.

Siliziumkarbid: Eine Lösung, die buchstäblich nicht von dieser Welt ist

Lassen Sie uns zunächst kurz darauf eingehen, was Siliziumkarbid genau ist und wie es sich von konventionellem Silizium unterscheidet. Es ist interessant zu wissen, dass die Karbidkomponente von Siliziumkarbid keine natürlich vorkommende Substanz ist. Karbid wurde nämlich zuerst in den Trümmern eines Meteoriten entdeckt. Seine einzigartigen Eigenschaften waren so vielversprechend, dass wir heute Karbid für die Verwendung in unseren SiC-Leistungsprodukten synthetisieren.

Cree hat die Verwendung von SiC in den letzten mehr als 30 Jahren immer weiter perfektioniert. Heute nehmen wir im wahrsten Sinne des Wortes Sand und Kohle und können durch einen komplexen Prozess und das Hinzufügen von Epitaxie SiC herstellen, das den Leistungsanforderungen der modernen Systeme von heute standhält.

Dieses Siliziumkarbid wird zur Herstellung von Dies, diskreten Schottky-Dioden und Leistungs-MOSFETs verwendet, und diese Dioden und MOSFETs werden dann sowohl in diskreten Gehäusen als auch in Modulen eingesetzt.

Sie werden sich vielleicht fragen: Warum dieser Aufwand? Tatsache ist, dass SiC bei den anspruchsvollsten Anwendungen immer wieder besser abschneidet als Silizium.

Mit Wolfspeed-SiC-Lösungen können Sie bei richtiger Anwendung eine unglaublich hohe Effizienz bei der Leistungsumwandlung gegenüber herkömmlichem Silizium erreichen. Die Schaltgeschwindigkeiten lassen sich erhöhen, Verluste und passive Komponenten reduzieren. Diese Technologie verbessert auch das Wärmeverhalten.

Doch ohne konkrete Statistiken, die diese Aussagen untermauern, sind sie bedeutungslos. Wenn SiC richtig implementiert wird, können die Verluste auf Systemebene von Umrichtern oder Wechselrichtern um 50 bis 80 % reduziert werden. Zudem kann es zur Reduzierung der Baugröße beitragen oder die Leistungsdichte um das 3- bis 4-fache erhöhen. Der Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann um mehrere Prozent verbessert und somit die Verluste des kompletten Systems verringert werden. Daher ist SiC im Vergleich zu Silizium eine bahnbrechende Technologie.

Der Automobilmarkt beschleunigt die Einführung von Wolfspeed-SiC

Viele Branchen haben die einzigartigen Leistungsvorteile von SiC erkannt, doch einer der größten Treiber ist die Automotive-Branche. Im letzten Jahr haben die OEMs der Automobilindustrie über 350 Milliarden Dollar in die Elektrifizierung von Fahrzeugen investiert. Wenn es um Elektrofahrzeuge geht, ist SiC das Material der Wahl. Und warum? Weil Automotive-Anwendungen nicht nur höchste Anforderungen an die Leistung stellen, sondern auch an die Qualität, die Stabilität der Lieferkette und die Zuverlässigkeit. Daher bietet Wolfspeed verschiedene SiC-Produkte an, die nach AEC-Q10 für den Einsatz in Automotive-Anwendungen zertifiziert sind.

Aber warum ist die Automobilindustrie so sehr daran interessiert, von traditionellem Silizium weg und hin zu SiC zu kommen? Es geht ganz einfach um die Kosten. In Elektrofahrzeugen sind die Batterien nach wie vor die teuerste Komponente. Einem kürzlich erschienenen Bericht von Goldman Sachs zufolge können die Batteriekosten durch den Einsatz von SiC um 300 bis 600 Dollar gesenkt werden.

Diese enormen Einsparungen werden durch die Optimierung des Antriebsstrangs erreicht. Betrachtet man den kombinierten Stadt- und Autobahnfahrzyklus, haben die OEMs bewiesen, dass sie durch den Einsatz von SiC die Verluste von Elektrofahrzeug-Wechselrichtern um bis zu 80 % reduzieren können. Das bedeutet, dass sich bei gleicher Batteriegröße und gleichen Kosten die Reichweite erhöhen lässt. Im Gegenzug lassen sich auch die Größe und Kosten der Batterie reduzieren. Der geringe Mehrwert, den der Einsatz von SiC im Antriebsstrang aus preislicher Sicht mit sich bringt, wird also durch die Leistungsverbesserungen deutlich aufgewogen.

Zudem wird durch die Reduzierung der Verluste das Kühlsystem des Fahrzeugs weniger belastet. Die hier erzielten Einsparungen belaufen sich laut Goldman Sachs auf 500 bis 1.000 Dollar pro Fahrzeug.

Die Batterien von Elektrofahrzeugen sind nur ein Bereich der Automotive-Branche, der von den Vorteilen von Siliziumkarbid profitiert. Ein weiteres massives Wachstumssegment ist das Off-Board-Laden von Fahrzeugen und zwar insbesondere die Schnellladestationen für Gleichstrom (DC-to-DC). Wenn diese Schnellladestationen mit SiC ausgestattet sind, erhöht sich die Energieeffizienz. Gleichzeitig reduzieren sich Größe und Kosten, und die Zuverlässigkeit wird verbessert.

Mit SiC lassen sich die Systemverluste bei Schnellladeanwendungen für Elektrofahrzeuge nachweislich um 30 % reduzieren. Darüber hinaus lässt sich mit SiC die Leistungsdichte erheblich steigern, sodass Schnellladestationen kleiner, schneller und besser werden.

Die Zukunft der Solarenergie

Ein weiteres bedeutendes Wachstumssegment für SiC sind Solaranwendungen und Energiespeicher. Dies ist zwar schon seit vielen Jahren ein beliebter Anwendungsbereich für SiC, aber die jüngsten Fortschritte bei SiC, die von Wolfspeed entwickelt wurden, sowie die zunehmende Bedeutung von alternativen Energien haben diesen Markt wortwörtlich unter Strom gesetzt.

Die Frage ist also: Warum wird SiC zum Favoriten für Solaranwendungen? Nehmen wir ein Beispiel aus der Praxis: Wenn Sie einen 50- oder 60-kW-Wechselrichter haben und SiC-Technologie in den Hochsetzsteller integrieren, können Sie die Schaltfrequenz im Vergleich zu Silizium um das 2- bis 3-fache erhöhen. Dies wiederum führt zu einer erheblichen Reduzierung der magnetischen Bauteile, was eine enorme Platzersparnis und auch eine erhebliche Kostenreduzierung bedeutet.

SiC für die Anforderungen moderner IT-Systeme

In der Unternehmens-IT steigt mit den modernen Rechenzentren die Nachfrage nach Servern, die nicht nur extrem leistungsfähig, sondern auch energieeffizient sind. Die Energy-Star-Effizienzvorschriften entwickeln sich ständig weiter, und heute verlangen die Titanium-Energy-Star-Standards einfach mehr Effizienz als das, was mit herkömmlichem Silizium erreicht werden kann.

Die Einsatzmöglichkeiten von SiC in Industrieapplikationen nehmen weiter zu

Von Motorantrieben bis zu Solarwechselrichtern, von Industrieanlagen bis zu Fertigungseinrichtungen und sogar in der Robotik - all diese Systeme haben einen gemeinsamen Hauptstrompfad. In der Regel kommt dieser Strom in praktisch allen diesen Systemen von einer Hilfsstromversorgung - und Siliziumkarbid kann dazu beitragen, die Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistung dieser Systeme zu verbessern.

Siliziumkarbid erhöht nicht nur den Wirkungsgrad und reduziert die Kühlungsanforderungen für viele industrielle Anwendungen, es kann auch zur Vereinfachung des Designs beitragen, weil es die Zahl der passiven Komponenten reduziert und einfachere Designs ermöglicht (z. B. einen Flyback-Wandler anstelle anderer, komplexerer Designs), ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Fazit

Wolfspeed ist seit über drei Jahrzehnten ein wichtiger Akteur auf dem SiC-Markt. Als weltweit größter Hersteller von Basiswafern und Basismaterial hat das Unternehmen den größten Marktanteil bei SiC-Bauelementen und verdoppelt seine Kapazität Jahr für Jahr. Immer wieder zeigt sich, dass SiC bereit für zukünftige Innovationen ist - und das ist es, was Wolfspeed und Mouser Electronics antreibt.