Dank moderner Leistungselektronik ist es heute möglich, Energie in einem sehr weiten Bereich sehr effizient zu wandeln. Von wenigen Watt im Schaltnetzteil von Handy-Ladegeräten bis hin zu vielen Megawatt im Energiesektor ist die Leistungselektronik zum allgegenwärtigen Helfer aufgestiegen. Höhere Effizienz in der Energiewandlung senkt die abzuführende Verlustwärme bei gleicher Leistung, daher lassen sich Komponenten kleiner und kompakter aufbauen.

Bild 1: Schaltpläne für Netzteile. Links traditionell mit Transformator und Linearregler, rechts als modernes Schaltnetzteil aufgebaut.

Bild 1: Schaltpläne für Netzteile. Links traditionell mit Transformator und Linearregler, rechts als modernes Schaltnetzteil aufgebaut.Infineon

Gesund schrumpfen

Anfang der 1980er Jahre kam mit dem C64 einer der ersten Computer für private Haushalte auf den Markt. So modern der Heimcomputer damals auch war, als Stromversorgung diente ein konventionelles, klobiges Netzteil: Mit einer Ausgangsleistung von nur 17 W wog es satte 2 kg und füllte ein Volumen von etwa einem Liter. Daraus errechnen sich die Leistungsdichtekennzahlen 0,017 kW/l und 0,0085 kW/kg.

Seither hat ein Wandel stattgefunden weg von Transformatoren und Linearreglern hin zu Schaltnetzteilen. Ein Schaltnetzteil für ein modernes Notebook liefert 65 W bei einem Volumen von 0,12 l und weniger als 200 g Gewicht; die Verhältnisse sind dabei 0,5 kW/L und 0,3 kW/kg. Diese Veränderung wurde durch effiziente Leistungselektronik möglich. Bild 1 verdeutlicht den Unterschied in der Schaltungstechnik. Trotz der höheren Komplexität der Schaltung und der größeren Anzahl an Komponenten stellt das Schaltnetzteil die bessere Alternative dar.

Eckdaten

Wer wissen will, wie sehr sich Stromversorgungen in den letzten 35 Jahren entwickelt haben, muss nur das Netzteil eines Commodore C64 mit dem Pendant eines aktuellen Notebooks vergleichen: Die moderne Variante braucht bei gleicher Leistung nur 3 % des Volumens und 5 % des Gewichts. Ähnlich deutlich fällt die Entwicklung bei Umrichtern für Windkraftanlagen oder Elektromotoren aus. Basis sind veränderte Schaltungen, weiterentwickelte Leistungshalbleiter und neue Materialien.

Der Einsatz der Leistungselektronik reduziert das Volumen pro Watt somit um über 97 %. Ebenso bedeutend ist die Reduzierung an eingebrachten Ressourcen. Der Bedarf an Rohmaterial hat sich von 58 kg/kW auf 3 kg/kW reduziert – eine Einsparung von 95 %. Im Anbetracht von 100 Millionen privat genutzter Computer alleine in Deutschland ergibt sich durch die Leistungselektronik eine Einsparung an Rohmaterial von einigen Millionen Tonnen.

Im großen Stil

Etwa zur gleichen Zeit ging 1983 mit Growian die erste Windkraftanlage mit einer Ausgangsleistung von 3 MW in Betrieb. Die Regelung des Leistungsflusses in das öffentliche Netz erfolgte in dieser Anlage über mechanische Wandler, sogenannte Leonard-Umformer. Was damals als Stand der Technik galt, hatte den Einsatz von über 100 Tonnen an Material in rotierenden Maschinen zur Folge. Dennoch reichte es nur zu einem Wirkungsgrad, der heute belächelt würde: Durch die Reihenschaltung von elektrischen Maschinen und Getriebestufen ergab sich ein Gesamtwirkungsgrad von unter 80 %.

Heute übernimmt die Leistungselektronik diese Aufgabe, der Materialeinsatz beträgt dabei etwa eine Tonne pro Megawatt. Auch in dieser Applikation fällt heute der Ressourcenbedarf für den Energiewandler um 95 % kleiner aus.

Bild 2: Die Entwicklung des IGBT über die letzten 30 Jahre zeigt, um wie viel mehr Ampere ein Quadratzentimeter Silizium heute verkraftet.

Bild 2: Die Entwicklung des IGBT über die letzten 30 Jahre zeigt, um wie viel mehr Ampere ein Quadratzentimeter Silizium heute verkraftet.Infineon

Leistungshalbleiter

Kernkomponente der Leistungselektronik ist der Leistungshalbleiter. Seit der Einführung des Insolated Gate Bipolar Transistors, kurz IGBT, hat sich auch dieses Bauelement rapide entwickelt. Für den Halbleiter ist die maßgebliche Größe die Stromdichte in A/cm². Sie bestimmt, wie viel Silizium für einen bestimmten Strom zur Verfügung stehen muss. Auch hier spielt die Verringerung des Materialbedarfs eine wichtige Rolle. Chips mit höherer Stromtragfähigkeit erlauben den Aufbau leistungsfähigerer Komponenten auf gleichbleibender Fläche. Ein Überblick der Entwicklung dieses Schalters bezüglich der Stromtragfähigkeit und der Effizienz ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 3: Die Entwicklung des 15-A-PIM (Power Integrated Module) belegt, dass man heute bei gleicher Leistung mit einem viel kleineren Gehäuse auskommt.

Bild 3: Die Entwicklung des 15-A-PIM (Power Integrated Module) belegt, dass man heute bei gleicher Leistung mit einem viel kleineren Gehäuse auskommt.Infineon

Sinkt der Flächenbedarf pro Ampere, dann steigt für ein vorhandenes Gehäuse bei gleicher Grundfläche die Ausgangsleistung. Alternativ lassen sich Halbleiter mit gleicher Leistung in kleinere Gehäuseformen integrieren. Eine solche Entwicklung ist in Bild 3 zu sehen. Die Abfolge zeigt, dass dank weiter entwickeltem Silizium das Volumen des Halbleitermoduls um 70 % sinkt und sich über 80 % Gewicht einsparen lassen.

Einsatz im Umrichter

Für industriell genutzte Umrichter zeigt sich heute eine auf das Volumen bezogene Leistungsdichte in der Größenordnung von 1 kW/l. Damit sind Umrichter zur Ansteuerung von Motoren häufig ähnlich voluminös wie der eigentliche Motor. Für die großen Projekte der Zukunft, darunter die Visionen Internet of Things (IoT) und Industrie 4.0, sind diese Aufbauten zu groß, um die Integration in die Prozesslandschaft von morgen zu gewährleisten.

Bild 4: In den Anschlusskasten eines 18-kW-Normmotors lässt sich sogar ein kompakter 20-kW-Umrichter einbauen, wenn der Umrichter mit modernsten Halbleitern aufgebaut ist.

Bild 4: In den Anschlusskasten eines 18-kW-Normmotors lässt sich sogar ein kompakter 20-kW-Umrichter einbauen, wenn der Umrichter mit modernsten Halbleitern aufgebaut ist.Infineon

Neue Ansätze sind notwendig, die das System aus Motor und Umrichter als Ganzes betrachten. Auf die Spitze getrieben sind mit bereits heute verfügbarer Technologie Aufbauten möglich, die Werte von bis zu 20 kW/l erreichen. Einen Prototyp eines Umrichters mit 20 kW Ausgangsleistung und einem Volumen unter einem Liter konnte Infineon bereits demonstrieren. Er passt, wie in Bild 4 zu sehen, in den Anschlusskasten eines herkömmlichen 18-kW-Normmotors. Diese hochintegrierte Lösung würde die Verwendung von geregelten Antrieben an Orten ermöglichen, an denen heute aus Platzgründen eine Umrüstung unwirtschaftlich oder sogar unmöglich erscheint.

Neue Materialien

Ein Teil der Vergrößerung an Leistungsdichte geht auf den Einsatz neuer Halbleitermaterialien zurück. Der Leistungsteil des Umrichter-Demonstrators ist aus dem Wide-Bandgap-Material Siliziumkarbid (SiC) aufgebaut. Anders als am Silizium-IGBT ergeben sich die Durchlassverluste der SiC-Transistoren nicht aus Strom und Vorwärtsspannung sondern aus dem Strom und dem Kanalwiderstand. Durch Parallelschaltung von mehreren Halbleitern reduziert sich der Kanalwiderstand und die Verluste sinken. Weniger Verluste erlauben den Einsatz kleinerer Kühlsysteme, was wiederum der Volumenreduktion zuträglich ist.

Neben der höheren Leistungsdichte am eigentlichen Halbleiter wurde die extrem hohe Leistungsdichte des Umrichters auch durch eine unkonventionelle Topologie ermöglicht. Statt eines Ansatzes auf Basis von Halbbrücken haben die Entwickler hier eine Matrixtopologie eingesetzt. Diese Topologie kommt ohne Zwischenkreis und die damit verbundenen, häufig sehr voluminösen Bauteile aus. Dieser Schritt trägt maßgeblich zur Steigerung der Leistungsdichte bei.

Das Ende der Fahnenstange?

Moores Gesetz besagt, dass sich die Komplexität von integrierten Halbleitern etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Der Zusammenhang lässt sich ähnlich auch auf die Leistungselektronik anwenden. Es ist also absehbar, dass die Leistungsdichte – oder Leistungsfähigkeit – in den kommenden Jahren weiter steigen wird. Höhere Effizienz der Halbleiter und Verbesserungen in der Aufbau- und Verbindungstechnik sind die Triebfedern dieser Entwicklung.