Siliziumkarbid steigert Energieeffizienz

  • 19. February 2015

Größere elektronische Bandlücke erlaubt höhere Betriebstemperaturen als bei konventionellen Halbleitern.

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“ (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.

Zonenschmelzverfahren

Abb.: Abschmelzstelle eines Silizium-Einkristallstabs, hergestellt mit dem Zonenschmelzverfahren. (Bild: Trumpf Hüttinger)

Von der Halbleiterfertigung über die Beschichtung von Displays bis hin zu Prozessen im Automobilbau: Viele industrielle Verfahren verbrauchen große Mengen elektrischer Energie. Darunter sind auch Technologien, die eine wichtige Rolle für die Energiewende spielen, wie das Zonenschmelzverfahren zum Herstellen von hochreinen kristallinen Werkstoffen. Dabei wird die Substanz in einer schmalen Zone elektrisch geschmolzen und 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 Prozent aufweisen. Durch eine Umstellung auf Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid ließe sich der Wirkungsgrad der Prozessstromversorgungen auf über 80 Prozent steigern. Das würde große Mengen an elektrischer Energie einsparen und Treibhausgasemissionen reduzieren. Als Halbleitermaterial bietet Siliziumkarbid verschiedene Vorteile: Dank der größeren elektronischen Bandlücke ermöglicht es deutlich höhere Betriebstemperaturen als konventionelle Halbleiter. Leistungselektronik mit Siliziumkarbid zeichnet sich besonders durch höhere Energieeffizienz und Kompaktheit aus.

„Bei der Stromversorgung von energieintensiven industriellen Anwendungen wie dem Zonenschmelzverfahren ist es erforderlich, mit hohen Frequenzen zu schalten“, erklärt der Leiter des Projekts, Rainer Kling vom LTI. „Siliziumkarbid ist für diese hohen Frequenzen noch nicht erprobt, wir betreten damit Neuland.“ Neben der Prüfung der Langzeitbeständigkeit gehören auch die Ansteuerung und das Layout der Schaltung zu den Aufgaben der KIT-Forscher im Verbundprojekt MMPSiC. Das BMBF unterstützt das Projekt MMPSiC mit rund 800.000 Euro. Insgesamt beträgt das Projektvolumen 1,3 Millionen Euro. Das Verbundprojekt startete 2014 und ist auf drei Jahre angelegt.

KIT / RK

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