Wie Klimaanlagen und Wärmepumpen von SiC profitieren

In den letzten zwölf Monaten sind die Energiepreise erheblich gestiegen, und Unternehmen und Verbraucher bekommen das zu spüren. In Europa stiegen die Gaspreise zwischen 2020 und 2021 um 47 Prozent. Länder wie Deutschland sind bei der Stromerzeugung zu einem Sechstel auf Gas angewiesen, in den USA werden zwei Fünftel des Stroms mit Erdgas erzeugt. Da in der EU rund 75 Prozent der Energie für die Beheizung von Räumen und Industrieanlagen verbraucht wird und in den USA 10 Prozent des gesamten Stromverbrauchs auf die Kühlung entfallen, wird die Nachfrage nach effizienteren Wärmepumpen und Klimatisierungslösungen immer größer.

Da viele Länder die Verbrennung fossiler Brennstoffe verbieten, müssen in Neubauten elektrisch betriebene Heiz- und Kühlsysteme (HLK) installiert werden. Damit bei diesen Systemen die beste verfügbare Technologie Verwendung findet, haben Europa, Nordamerika und China Energieeffizienzstandards für Wärmepumpen und Klimaanlagen festgelegt. Der SEER-Wert in Nordamerika und der ESEER-Wert in der EU definieren den jahreszeitabhängigen Energie-Effizienz-Koeffizienten. Dieser Wert gibt das Verhältnis von abgegebener Kälteleistung zu zugeführter elektrischer Energie (BTU/Watt) an, angepasst an die saisonalen Außentemperaturen. Als Anhaltspunkt für die Einschätzung kann dienen, dass die Aufrüstung eines Systems von SEER 9 auf SEER 13 eine Senkung des Stromverbrauchs um 30 Prozent bewirkt. Für Heizgeräte gibt es das sogenannte SCOP-Rating (Seasonal Coefficient of Performance).

Ganz gleich, ob es sich um eine Klimaanlage oder eine Wärmepumpe handelt: HLK-Geräte beruhen auf den gleichen elektrischen Grundkomponenten: Sie werden von einer AC-Quelle gespeist und benötigen einen AC-DC-Baustein zur Blindleistungskompensation sowie einen DC-AC-Wechselrichter, um den entsprechenden Motor mit Energie zu versorgen (Bild 1). Jahrzehntelang waren Siliziumbauteile die bevorzugte Komponente für solche Systeme, wobei IGBTs und MOSFETs für den Aufbau der Stromrichtermodule gewählt wurden. Da die Wirkungsgrade bei den meisten Leistungsdesigns regelmäßig bei über 95 Prozent liegen, sind die Möglichkeiten, mit Silizium höhere Wirkungsgrade zu erreichen, sehr begrenzt.

Zur Lösung dieser Herausforderung greifen Entwickler zunehmend auf Alternativen aus Siliziumkarbid (SiC) zurück. Diese Wide-Bandgap-Technologie bietet höhere Wirkungsgrade, höhere Schaltfrequenzen und ein kompakteres Design bei insgesamt besserer Leistung. Die Vorteile lassen sich nach und nach erreichen, indem schrittweise auf SiC umgestiegen wird, oder in einem Schritt, indem ein Bottom-up-Designansatz umgesetzt wird.

Mögliche Verbesserungen des Wirkungsgrads durch SiC

Eine erste Änderung betrifft die Blindleistungskompensation. In CCM-Aufwärtswandlern (Continuous Conduction Mode) ist die hart kommutierte Aufwärtsdiode in der Regel ein ultraschneller Typ. Dieses Bauelement ist jedoch aufgrund seiner Reverse-Recovery-Eigenschaften eine Ursache für Leistungsverluste, insbesondere wenn die Schaltfrequenzen und Leistungsdichten steigen. Durch den Einsatz einer Wolfspeed-SiC-Schottky-Diode der Baureihe C6D (650 V) lassen sich diese Schaltverluste deutlich verringern (Bild 2). Zudem variieren die verbleibenden Verluste nur minimal in Abhängigkeit von der Temperatur oder dem Strom. Dadurch lässt sich bei einem 4-kW-Kompressor, der einen Motor mit 5 kHz antreibt, eine Effizienzsteigerung von etwa 1,5 Prozent erzielen, was einer Reduzierung der Leistungsaufnahme um 60 W entspricht.

Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt. Anstatt Wärme von innen nach außen zu leiten, entzieht eine Wärmepumpe der Außenluft, dem Erdreich oder dem Wasser Wärme und leitet sie in ein Gebäude.

Hier eine vereinfachte Erklärung der Elektronik und der Funktionsweise:

• Thermostat: Dies ist das Steuergerät, mit dem die gewünschte Temperatur vom Bediener eingestellt wird. Der Thermostat gibt die Information an die Wärmepumpe, wann sie arbeiten soll.

• Steuereinheit: Diese elektronische Schaltzentrale erhält die Befehle vom Thermostat und steuert die anderen Teile der Wärmepumpe.

• Verdichter: In diesem Teil der Wärmepumpe wird ein Kältemittel verdichtet, das heißt, es nimmt Wärme auf und wird zu einem heißen Gas.

• Wärmetauscher: Hier gibt das heiße Gas seine Wärme ab, die dann zum Heizen des Hauses genutzt wird. Dabei kühlt das Kältemittel ab und wird wieder flüssig.

• Expansionsventil: In diesem Ventil dehnt sich das Kältemittel aus, kühlt ab und kann wieder Wärme aus der Umgebung aufnehmen.

Die Elektronik steuert diesen Kreislauf genau, damit die Wärmepumpe effizient arbeitet und die gewünschte Temperatur erreicht.

Der nächste Schritt ist die Optimierung des DC-AC-Wechselrichters, wobei die Silizium-IGBTs durch geeignete SiC-MOSFET-Alternativen ersetzt werden. Die SiC-MOSFETs der Baureihe 650 V C3M von Wolfspeed bieten eine erhebliche Effizienzsteigerung mit geringeren Ein- und Ausschaltverlusten sowie geringeren Leitungsverlusten dank des verbesserten Einschaltwiderstands. In der gleichen Anwendung kann dies zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads um etwa 2,2 Prozent und damit zu einer Einsparung von 86 W führen. Kombiniert mit der Änderung der SiC-Schottky-Diode beträgt die kumulative Verbesserung des Systemwirkungsgrads 3,6 Prozent, was eine Reduzierung der Verluste um 146 W bedeutet. Bezogen auf das SEER-Rating entspricht dies einer Verbesserung um ½ SEER.

Neue Leistungsschalter bedeuten neue Topologien

Natürlich reicht es nicht aus, die Siliziumschalter in einem bestehenden Design einfach durch SiC-Alternativen zu ersetzen, um das volle Potenzial der Wide-Bandgap-Technologie auszuschöpfen. Der Wirkungsgrad von IGBT-basierten Designs sinkt oberhalb einer Schaltfrequenz von etwa 5 kHz. Für die Blindleistungskompensation sollten daher neue Topologien zum Einsatz kommen, mit denen die verbesserten Eigenschaften von SiC optimal nutzbar sind. Eine der kostengünstigsten Topologien für die Blindleistungskompensation ist die halb-brückenlose Totem-Pole-Topologie (Bild 3). Sie wird mit nur zwei SiC-MOSFETs und einem Paar PIN-Dioden realisiert und bietet eine gute Leistungsdichte und Wirkungsgrade von bis zu 98,9 Prozent. Der einzige Nachteil ist ein etwas geringerer Wirkungsgrad bei geringer Last im Vergleich zu Vollbrücken.

Für eine Blindleistungskompensation mit brückenloser Totem-Pole-Topologie sind vier SiC-MOSFETs erforderlich, die jedoch einen Umwandlungswirkungsgrad von bis zu 99,2 Prozent bieten. Dieser Vorteil muss jedoch gegen die höhere Komplexität des Designs und die höheren Gesamtkosten für die Stückliste abgewogen werden.

Beim Umstieg von Silizium auf SiC nehmen sich die Entwickler gerne Zeit, um die Technologie besser kennenzulernen. Mit der Möglichkeit, mit höheren Frequenzen zu schalten sowie den reduzierten Reduced-Recovery-Eigenschaften und der Temperaturstabilität müssen die Schalter unbedingt in einer kontrollierten Referenzanwendung getestet werden, um ihre genaue Funktionsweise zu ermitteln. Hierfür bietet Wolfspeed das Buck/Boost Evaluation Board KIT-CRD-3DD065P mit zwei C3M-MOSFETs (C3M0060065K) im TO-247-4-Gehäuse und einer 300-µH-Induktivität an (Bild 4). Das Board kann entweder im Ab- oder Aufwärtsmodus mit Ein- und Ausgangsspannungen von bis zu 450 V_DC und Leistungen von bis zu 2,5 kW betrieben werden. Es eignet sich gut für die Messung von Timing, Überschwingen und Schaltverlusten bei bis zu 100 kHz oder höheren Frequenzen, wenn eine alternative Induktivität verwendet wird. Das Kit beinhaltet Designdateien wie Stücklisten und Schaltpläne sowie ein Quick-Start-Videotutorial für Entwickler.

Die halbbrückenlose AC-DC-Totem-Pole-Topologie (CRD-02AD065N) lässt sich auf ähnliche Weise evaluieren. Sie ist für einen Eingang von 180 V_AC bis 264 V_AC konzipiert und bietet einen Ausgang mit 385 V_DC und bis zu 2,2 kW. Dieses effiziente 80+ Titanium-Design verwendet die gleichen diskreten SiC-MOSFETs C3M0060065K mit Kelvin-Anschluss, um den parasitären Effekten des Gehäuses zu begegnen. Der Wandler arbeitet bei 65 kHz und bietet einen Leistungsfaktor von >0,98 und einen Spitzenwirkungsgrad von 98,5 Prozent.

SiC – der schnellste Weg zu einem effizienteren HLK-System

Als Erfinder des SiC-MOSFET entwickelt Wolfspeed diese Technologie seit mehr als dreißig Jahren. In dieser Zeit haben SiC-Bauelemente mehr als sieben Billionen Betriebsstunden in der Praxis geleistet. Dank der starken Unterstützung der WBG-Technologie werden die Investitionen in die Fertigungsanlagen dazu führen, dass die Kapazität bis 2024 um das Dreißigfache steigt. Angesichts steigender Energiepreise und der Tatsache, dass die Hersteller von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen mit SiC langfristig höhere Wirkungsgrade als mit Silizium-IGBTs und -MOSFETs erreichen wollen, können die Entwickler und ihre Einkaufsteams also beruhigt sein.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, da der Markt über die ständig steigenden Energiekosten und die Verfügbarkeit von Halbleitern beunruhigt ist. Verbraucher und kommerzielle Kunden konzentrieren sich sehr auf die Betriebskosten und orientieren sich bei der Suche nach neuen oder zu ersetzenden Heiz- und Kühlgeräten an der Effizienzkennzeichnung. Durch die Umstellung auf SiC kann sich ein bestehendes Design um ein halbes SEER-Rating verbessern. Bei einer kompletten Neuentwicklung unter voller Ausnutzung der Vorteile von SiC könnten die Verbesserungen sogar noch deutlicher ausfallen. Angesichts des breiten Spektrums an Evaluierungsplattformen gibt es für Entwickler keine Ausrede mehr, nicht schon heute den Einstieg in die SiC-Technologie zu wagen, um von den Vorteilen zu profitieren, bevor es die Konkurrenz tut. (na)