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Forschung Siliziumkarbid steigert Energieeffizienz

| Redakteur: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Von der Halbleiterfertigung über die Beschichtung von Displays bis hin zu Prozessen im Automobilbau: Viele industrielle Verfahren verbrauchen große Mengen elektrischer Energie. Um Energie und CO2 einzusparen, muss der Wirkungsgrad der Stromversorgung in industriellen Prozessen erhöht werden – Leistungshalbleiterschalter aus Siliziumkarbid scheinen großes Potenzial zu bieten.

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Abbildung der Abschmelzstelle eines Silizium-Einkristallstabs, der mit dem Zonen-schmelzverfahren hergestellt wurde.
Abbildung der Abschmelzstelle eines Silizium-Einkristallstabs, der mit dem Zonen-schmelzverfahren hergestellt wurde.
(Trumpf Hüttinger)

Um dieses Potenzial zu heben, gibt es das neue Verbundprojekt „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.

Unter den Energiefresser-Technologien sind auch solche, 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.

Wirkungsgrad über 80 Prozent

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. Dies würde große Mengen an elektrischer Energie einsparen und Treibhausgasemissionen reduzieren.

Zum Beispiel würde sich für eine einzige Float Zone Großanlage, bestehend aus 20 x 150 kW-Prozessstromversorgungen, bei einer jährlichen Laufzeit von 4.800 Stunden eine Einsparung von mehr als 200.000 kWh elektrischer Energie und damit 109 Tonnen CO2 (Umweltbundesamt, Stand Juli 2013) ergeben.

Siliziumkarbid bietet Vorteile

Die Realisierbarkeit solcher Prozessstromversorgungen untersuchen Forscher am Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT gemeinsam mit den Partnern Trumpf Hüttinger (Freiburg) und IXYS Semiconductor (Lampertheim) im Verbundprojekt „Modulare Mittelfrequenz-Prozessstromversorgung mit Siliziumkarbid-Leistungshalbleiterschaltern“ (MMPSiC).

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, Dr. Rainer Kling vom LTI des KIT. „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.

800.000 Euro Fördermittel

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Projekt MMPSiC auf der Grundlage des Programms „Informations- und Kommunikationstechnologie 2020“ (IKT 2020) im Rahmen der Fördermaßnahme „Leistungselektronik zur Energieeffizienzsteigerung“ (LES 2) mit rund 800.000 Euro. Davon erhält das LTI des KIT rund 439.000 Euro. Insgesamt beträgt das Projektvolumen 1,3 Millionen Euro. Das Verbundprojekt startete 2014 und ist auf drei Jahre angelegt.

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