Polymer-Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren
Unterstützung der Abkehr von fossilen Brennstoffen mit der Leistungsfähigkeit elektronischer Komponenten
Welche Voraussetzungen müssen geschaffen werden, um die Effizienz von Leistungsumwandlung und Motorantrieben zu steigern und den Einsatz von SiC- und GaN-Leistungshalbleitern auszuweiten?
Regierungen auf der ganzen Welt und Unternehmen aller Branchen und Wirtschaftszweige schließen sich zusammen, um gemeinsam das Ziel der Kohlenstoffneutralität zu erreichen (Abb. 1). Es werden alle denkbaren und vielfältigen Maßnahmen zur Dekarbonisierung ergriffen. Dazu gehören zum Beispiel die Nutzung erneuerbarer Energien wie Solarenergie, die Elektrifizierung von Geräten, die bisher durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe betrieben wurden, und die Reduzierung des Stromverbrauchs bestehender Geräte wie Haushaltsgeräte, IT-Ausrüstung und Industriemotoren.
Verschiedene Länder und Regionen haben Mechanismen zur Bepreisung von Kohlenstoff eingeführt, um die Treibhausgasemissionen von den Geschäftsaktivitäten auf die Kosten zu verlagern. Dies hat zur Folge, dass Initiativen zur Kohlenstoffreduzierung nicht nur als sozialer Beitrag sinnvoll sind, sondern auch eine klare numerische Auswirkung auf die Jahresabschlüsse haben, die als Zeugnis für die Unternehmensführung dienen.
Erstmals seit 50 Jahren vollständiger Modellwechsel bei Halbleitermaterialien
Die Aktivitäten zur Dekarbonisierung haben zugenommen. Vor diesem Hintergrund gibt es einen Bereich der Halbleiterindustrie, in dem sich das Tempo der technologischen Innovation rapide beschleunigt. Dies ist der Bereich der Leistungshalbleiter.
Leistungshalbleiter sind Halbleiterbauelemente, die die Aufgabe haben, die für den Betrieb elektrischer und elektronischer Geräte erforderliche Energie zu verwalten, zu steuern und umzuwandeln. Diese Bauelemente werden in so genannte Leistungselektronikschaltungen eingebaut. Zu diesen Schaltungen gehören Stromkreise, die Haushaltsgeräte und IT-Geräte stabil mit Antriebsenergie versorgen, Stromumwandlungsschaltungen, die Energie ohne Verluste übertragen und verteilen, und Schaltungen, die Motoren mit hohem Wirkungsgrad und frei steuerbarem Drehmoment und Drehzahl antreiben. Diese Leistungshalbleiter, die für die Verwirklichung einer nachhaltigen Gesellschaft von entscheidender Bedeutung sind, haben nun begonnen, einen alle 50 Jahre stattfindenden vollständigen Modellwechsel zu vollziehen.
Leistungshalbleiter haben verschiedene Bauelementstrukturen, darunter MOSFET*1, IGBT*2 und Dioden. Sie werden je nach Verwendungszweck unterschiedlich eingesetzt. Obwohl die Struktur unterschiedlich ist, wird Silizium (Si) seit mehr als 50 Jahren als Bauelementematerial verwendet. Das liegt daran, dass Silizium gute elektrische Eigenschaften hat und sich gleichzeitig leicht zu verschiedenen Bauelementstrukturen verarbeiten lässt.
*1: Ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist eine Art von Feldeffekttransistor. Er funktioniert wie ein elektrischer Schalter. Diese Transistoren bestehen aus drei Schichten: einem Metall, einem Oxid und einem Halbleiter. Der Strom wird ein- und ausgeschaltet, indem eine Spannung an die als Gate bezeichnete Elektrode angelegt wird.
*2: Ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist ein Transistor, der einen MOSFET und einen Bipolartransistor in sich vereint. Er zeichnet sich dadurch aus, dass er den Hochgeschwindigkeitsbetrieb des MOSFET mit der hohen Spannungsfestigkeit und dem niedrigen Widerstand des Bipolartransistors kombiniert.
Leistungshalbleiter auf Si-Basis sind jedoch nicht mehr in der Lage, die hohen technischen Anforderungen zu erfüllen, um den Stromverbrauch verschiedener elektrischer und elektronischer Geräte weiter zu senken. Um diese Situation zu überwinden, werden derzeit Fortschritte bei der Verwendung neuer Materialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erzielt, die als Materialien für Leistungshalbleiter besser geeignet sind als Si. SiC und GaN haben mehrere physikalische Eigenschaften und Merkmale, die für Leistungshalbleiter geeignet sind. Dazu gehören die dielektrische Durchbruchfeldstärke (beeinflusst die Spannungsfestigkeit), die Mobilität (beeinflusst die Betriebsgeschwindigkeit) und die Wärmeleitfähigkeit (beeinflusst die Zuverlässigkeit). Wenn es uns gelingt, ein Bauelement zu entwickeln, das diese hervorragenden Eigenschaften aufweist, können wir Leistungshalbleiter mit noch höherer Leistung realisieren.
MOSFETs und Dioden auf SiC-Basis wurden bereits auf den Markt gebracht. Sie werden in Wechselrichtern für den Antrieb von Elektrofahrzeugen, in Gleichstrom/Wechselstrom-Wandlern für Solarstromanlagen und anderen Geräten eingesetzt. HEMT*3 auf GaN-Basis wurden ebenfalls bereits auf den Markt gebracht. Sie werden jetzt in Wechselstromwandlern für ultrakleine PCs, Ladegeräten für Smartphones und anderen Geräten eingesetzt.
*3: Ein High Electron Mobility Transistor (HEMT) ist ein Feldeffekttransistor, der Hochgeschwindigkeitsschaltungen ermöglicht, indem er Halbleiter mit unterschiedlichen Eigenschaften verbindet, um Elektronen mit hoher Mobilität zu induzieren.
Die Weiterentwicklung von Kondensatoren, Induktivitäten und anderen Geräten ist unerlässlich, um das Potenzial von SiC und GaN auszuschöpfen
Es ist nicht möglich, das gesamte herausragende Potenzial von Leistungshalbleitern auf der Grundlage neuer Materialien auszuschöpfen, indem man einfach die Si-basierten Bauelemente in bestehenden Leistungselektronikschaltungen ersetzt. Dies liegt daran, dass die anderen Halbleiter-ICs, die passiven Bauelemente und sogar die Steuerungssoftware, aus denen sich die Leistungselektronikschaltungen zusammensetzen, unter der Annahme entwickelt und ausgewählt wurden, dass sie in Si-basierten Leistungshalbleitern verwendet werden würden. Es ist notwendig, auch diese peripheren Komponenten neu zu entwickeln und auszuwählen, um die neuen materialbasierten Leistungshalbleiter effektiv zu nutzen.
So werden beispielsweise zahlreiche GaN-HEMTs in AC/DC-Wandlerschaltungen eingesetzt, die kürzlich eingeführt wurden, um den Stromverbrauch in den Netzteilen von Servern in Rechenzentren zu senken (Abb. 2). Es ist möglich, die Schaltfrequenz (Betriebsfrequenz) von leistungselektronischen Schaltungen zu verbessern, indem die Eigenschaften von GaN-HEMTs genutzt werden, da sie Hochgeschwindigkeitsschaltungen bei hohen Spannungen ermöglichen. Der Reaktanzwert von Kondensatoren, die in Schaltungen eingebettet sind, und von Induktivitäten in Reaktorsignalverarbeitungsschaltungen kann in Schaltungen mit einer hohen Betriebsfrequenz niedriger sein. Im Allgemeinen haben Komponenten mit niedrigem Reaktanzwert eine geringe Größe. Daher ist es möglich, die Leiterplatte zu verkleinern und die Leistungsdichte zu verbessern. In ähnlicher Weise ermöglicht die Einführung von SiC-MOSFETs auch in Wechselrichterschaltungen, die EV-Motoren und andere Komponenten antreiben, die Verkleinerung von peripheren Komponenten und erlaubt es, die Wechselrichterschaltungen insgesamt kleiner und leichter zu machen.
Andererseits kann bei Hochspannungs- und Hochgeschwindigkeits-Schaltnetzteilen ein hohes Maß an Rauschen auftreten. Es besteht die Möglichkeit, dass das Rauschen dann den Betrieb der Peripheriegeräte beeinträchtigt. Netzteile mit Leistungshalbleitern aus SiC und GaN schalten mit einer noch höheren Frequenz. Daher steigt das Risiko des Auftretens von Rauschen weiter an. Dementsprechend ist eine stärkere Rauschunterdrückung erforderlich als bei der Verwendung bestehender leistungselektronischer Schaltungen. Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, Rauschunterdrückungskomponenten zu verwenden, die für Hochspannungs-, Hochstrom- und Hochfrequenzschaltungen ausgelegt sind, und nicht für herkömmliche Schaltungen.
Darüber hinaus besteht ein Bedarf an kleinen Transformatoren, die bei noch höheren Frequenzen arbeiten, für Transformatoren, die selbst unter den passiven Bauelementen besonders schwer sind. Planar-Transformatoren und andere Komponenten mit niedrigem Profil wurden bereits entwickelt und auf den Markt gebracht, in der Annahme, dass sie in SiC- und GaN-basierten Leistungshalbleitern eingesetzt werden.
Aufmerksamkeit für die Entwicklung von Peripheriekomponenten zusätzlich zu Leistungshalbleitern
Verschiedene Arten von Halbleitern, nicht nur Leistungshalbleiter, wurden bisher auf Si-Basis hergestellt. Daher wurden viele bestehende elektronische Bauteile unter der impliziten Annahme entwickelt, dass sie in Kombination mit Si-basierten Halbleitern verwendet werden können. Es könnte notwendig werden, neue Produkte zu entwickeln, die den neuen technischen Anforderungen entsprechen, anstatt einfach nach noch besseren Produkten unter den bestehenden Komponenten zu suchen, um die Wirkung der Einführung von Leistungshalbleitern aus neuen Materialien zu maximieren.
Im Allgemeinen neigen Leistungshalbleiter auf Si-Basis dazu, mit niedrigeren Geschwindigkeiten zu arbeiten, je größer die Spannung und der Strom sind, die sie verarbeiten können (Abb. 3). Das ist der Grund, warum es nicht genügend kleine Kondensatoren und Drosseln gibt, die hohe Spannungen und große Ströme verarbeiten können. Darüber hinaus gibt es einen Trend zur Vereinfachung des Wärmeableitungssystems und zur Verringerung von Größe, Gewicht und Kosten für SiC-basierte Leistungshalbleiter, die bei hohen Temperaturen stabil arbeiten können. In diesen Fällen müssen auch die passiven Komponenten eine hohe Zuverlässigkeit in einer Hochtemperaturumgebung gewährleisten.
Die Einführung neuer Materialien im Bereich der Leistungshalbleiter ist ein wichtiger Schritt zur Aktualisierung des elektrischen und elektronischen Ökosystems, das seit mehr als 50 Jahren auf Si-Materialien optimiert ist. Daher wollen wir auch der Entwicklung von peripheren elektronischen Komponenten, die für neue Materialien optimiert sind, große Aufmerksamkeit schenken.
Andere Links
Ähnliche Produkte
Ähnliche Artikel
- Beschleunigung des Aufbaus von Infrastruktur wie Brennstoffzellen und Elektrolyseanlagen zur Unterstützung der Nutzung von Wasserstoffenergie
- Mikronetze: Förderung der lokalen Produktion für den lokalen Verbrauch erneuerbarer Energien
- Batteriemanagementsysteme (BMS) überwachen den Lade-/Entladestatus und das Wärmemanagement, um Sicherheit und Effizienz zu verbessern und die Batterienutzung zu unterstützen