Energieeffizienz-Standards mit Wolfspeed Siliziumkarbid

Siliziumkarbid (SiC) bietet eine Halbleitertechnologie, die alle neuen Effizienzstandards in Bezug auf Größe, Gewicht und Leistungsanforderungen erfüllen kann, ohne unpraktische Kompromisse einzugehen.

Die Statistiken vom Oktober 2021 der Internationalen Energieagentur (IEA), die aus 30 Mitgliedsländern und acht Länderassoziationen besteht, bestätigen die Bestrebungen zur Steigerung der Effizienz beim Energieverbrauch. Während die nationalen Budgets für Energieeffizienz und erneuerbare Energien weiterhin gewachsen sind, stellt die IEA fest, dass der Anteil der Budgets, der der Energieeffizienz gewidmet ist, von 7 % im Jahr 1990 auf 26 % im Jahr 2020 gestiegen ist.¹

Neue Kraftwerke kosten über 500 Millionen US-Dollar und benötigen zwei bis sechs Jahre für den Bau, und das ungefähr 7%ige CAGR des Haushaltsgerätemarktes übertrifft die Fähigkeit, neue Energieproduktion online zu bringen. Daher werden politische Entscheidungen zunehmend von Diskussionen über die effiziente Nutzung globaler Ressourcen bestimmt.

In Amerika treiben die ENERGY STAR®- und 80 PLUS®-Standards das Ingenieurwesen und das Verbraucherverhalten voran. Das ENERGY STAR-Programm erweitert seine Anforderungen speziell auf Ladegeräte für Elektrofahrzeuge (EV) im privaten und gewerblichen Bereich.

In der Region Europa, Naher Osten und Afrika (EMEA) hat die Dringlichkeit, die Ziele des Pariser Abkommens zu erreichen und den globalen Temperaturanstieg in diesem Jahrhundert unter 2°C zu halten, den Fokus auf Effizienzverbesserungen bei Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagensystemen (HLK) verlagert.

Greater China & Südostasien (GCSEA) legt ebenfalls den Fokus auf die Effizienz von Haushaltsgeräten, indem neue Kennzeichnungen und Mindestanforderungen für die Energieeffizienz eingeführt werden. Beispielsweise hat China am 1. Juli 2020 eine der weltweit strengsten Anforderungen an die Energieeffizienz für Raumklimageräte umgesetzt, indem diese etwa 15 % effizienter sein müssen. Da das Land der größte Käufer und Hersteller dieser Geräte ist, könnte dies zu erheblichen Energie- und CO2-Fußabdruckeinsparungen führen.

Effizienzanforderungen erfüllt von Wolfspeed Siliziumkarbid

Die direkte Auswirkung neuer Effizienzstandards ist das unbestreitbare Bedürfnis nach Siliziumkarbid (SiC) als der Halbleitertechnologie, die in der Lage ist, alle Anforderungen an Größe, Gewicht und Leistung ohne untragbare Kompromisse zu erfüllen.

Mit dem größten Marktanteil in der SiC-Technologie, über 30 Jahren Erfahrung in der Leistungselektronik und mehr als 17 Jahren Produktion von Dioden und MOSFETs unterstützt Wolfspeed Designer dabei, die Anforderungen in wichtigen Anwendungen zu erfüllen, einschließlich Motoren und Schaltnetzteilen (SMPS), die in zahlreichen Branchen sowie in einigen der am schnellsten wachsenden Segmente wie der EV-Ladeinfrastruktur eingesetzt werden. Die SiC-Bauelemente des Unternehmens übertreffen herkömmliche Silizium-(Si)-Komponenten bei weitem und setzen neue Maßstäbe für Effizienz und Zuverlässigkeit.

Bereit für die Effizienzstandards von IEC-Motoren

Der größte Endverbrauch von Elektrizität entfällt auf elektrische motorsystemgesteuerte Systeme (EMDS) in Haushaltsgeräten, industriellen Anlagen und zunehmend in Elektrofahrzeugen (EVs). Schätzungen zufolge entfielen im Jahr 2009 43 % bis 46 % des weltweiten Stromverbrauchs und 6.040 Megatonnen (Mt) CO₂-Emissionen auf den Betrieb von EMDS. Ohne politische Unterstützung und Standards könnten EMDS bis 2030 jährlich 13.360 TWh verbrauchen und zu 8.570 Mt CO₂-Emissionen führen.²

Die globale IEC/EN 60034-30-1 Norm behandelt die Effizienz in diesem Anwendungsbereich. Mit der Festlegung von International Efficiency 1 (IE1) bis hin zu IE4 Effizienzklassen sowie einer bevorstehenden IE5 Klasse, wurde der Geltungsbereich der Norm im Jahr 2014 erweitert, um Zwei-, Vier-, Sechs- und Achtpol-Motoren mit einer Nennleistung von 120 W bis 1.000 kW und einem Eingang von 50 V bis 1 kV abzudecken.

Die meisten Länder verlangen entweder bereits oder werden bald eine Mindestklassifizierung von IE3 verlangen, wobei EMEA ab Juli 2023 IE4 für Motoren im Leistungsbereich von 75 bis 200 kW fordert. Der Übergang von IE2 zu IE3 bei einem vierpoligen Motor mit 2,2 kW bedeutet eine Effizienzsteigerung von 84,3% auf 86,7%, was einer Reduzierung der Verluste um 15,2% entspricht. Der Übergang von IE3 zu IE4 erfordert eine Reduzierung der Verluste um 21%, da die Gesamteffizienz auf 89,5% steigt. Solche Übergänge erfordern eine Neugestaltung der Systeme, die durch den Wechsel von Si zu SiC erleichtert wird.

Für Elektrofahrzeuge (EVs), die Wechselrichter für EV-Antriebsstränge mit einer Leistung von 90 kW bis über 350 kW verwenden, bedeuten höhere Effizienz sowie reduzierte Größe und Gewicht eine Maximierung der Fahrzeugreichweite. Wolfspeed SiC-basierte Designs erleichtern bidirektionale Designs, um regeneratives Bremsen zu ermöglichen, die Verluste um 80 % zu reduzieren und die Größe um 30 % zu verringern, während die Systemkosten gesenkt werden, wie anhand der realen Fahrt in Abbildung 2 deutlich wird.

Neue Standards für die Effizienz von Schaltnetzteilen (SMPS)

SMPS werden häufig in den Bereichen Gewerbe, Industrie, Haushaltsgeräte, Energie und Elektrofahrzeuge eingesetzt. Allein ein Anwendungsbereich, das Rechenzentrum, soll im Jahr 2018 etwa 205 TWh verbraucht haben — das entspricht 1 % des weltweiten Stromverbrauchs.

Die Energieeffizienzanforderungen von ENERGY STAR werden durch die Platinum- und Titanium-Zertifizierungsanforderungen des 80 PLUS-Programms sowie durch die Ecodesign-Vorschriften der EU in Europa (ErP Lot 9) übertroffen, die eine noch strengere Aktualisierung für Januar 2026 geplant haben. Die ORV3-Netzteil-Spezifikationen (PSU) des Open Compute Project (OCP) erfordern 40 % weniger Verluste als ORV2 und 80 PLUS Titanium (Abbildung 3).

Diese Standards stellen neue Anforderungen an das Design von Stromversorgungen und erfordern, dass Entwickler die von ihnen verwendeten Topologien sorgfältig bewerten. Während eine auf SiC basierende, halb-bridgelose Totempfahl-Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit Si-Dioden im niederfrequenten Zweig eine Effizienz von 98,9 % für die neuesten 80 PLUS-Standards liefern könnte, verschiebt ORV3 die Präferenz hin zu einer vollständig auf SiC-MOSFET basierenden bridgelosen Totempfahl-PFC, um eine Effizienz von 99,1 % zu erreichen.

Die C3M™ 650 V SiC MOSFETs von Wolfspeed eignen sich besonders gut für diese Anwendung. Das 2,2-kW-PFC-Referenzdesign erreicht den 80 PLUS Titanium-Standard mit >98,5 % Effizienz und einem THD <5 % in industriellen Anwendungen, EV-Ladegeräten sowie Server-/Telekom-Stromversorgungseinheiten.

ENERGY STAR® zertifiziert EV-Ladegeräte

Die US-Regierung hat 5 Milliarden US-Dollar über die nächsten fünf Jahre bewilligt, um eine Infrastruktur von 500.000 DC-Schnellladegeräten aufzubauen, die jeweils eine Mindestleistung von 150 kW pro Anschluss liefern können und gleichzeitig vier Elektrofahrzeuge laden können. Unterdessen trat die ENERGY STAR-Spezifikation für Ladegeräte für Elektrofahrzeuge (EVSE) am 31. März 2021 in Kraft, die eine Mindest-Effizienz beim aktiven Laden von 93 % für Ladegeräte bis zu 65 kW vorschreibt und DC-Schnellladegeräte mit bis zu 350 kW unter ihre Richtlinien bringt. Zertifizierte EV-Ladegeräte benötigen im Standby-Modus in der Regel etwa 40 % weniger Energie.

Gewerbliche und private Nutzer gleichermaßen suchen nach ENERGY STAR-Zertifizierungen, und Wolfspeed's MOSFETs und Dioden ermöglichen 1 % bis 2 % höhere Effizienz, eine 35 % bis 50 % höhere Leistungsdichte bei vergleichbaren Systemkosten, weniger Gesamtsystemkühlung, kleinere und günstigere mechanische Gehäuse sowie besseres bidirektionales Laden von Fahrzeugen ins Stromnetz als mit Si-basierten Designs möglich ist (Abbildung 4).

Portfolio für Energieeffizienz

Um eine unvergleichliche Vielzahl an Designanforderungen zu erfüllen, bietet Wolfspeed ein ebenso breites Siliziumkarbid-Portfolio, das Produkte umfasst von 600 V bis 1700 V sowie 3,3 kV und darüber hinaus in der Entwicklung, und von 1 A bis nahezu 1 kA in Leistungsmodule. Unabhängig von der Leistungsanwendung gibt es ein Wolfspeed-Siliziumkarbid-Einzelprodukt, ein kleineres, basenplattenloses Modul, das nach Industriestandards gebaut ist, oder ein Hochleistungsmodul mit optimierter Bauweise, das Designern nicht nur hilft, die neuesten Standards zu erfüllen, sondern auch kommende Anforderungen in ihren Entwicklungsplänen zu berücksichtigen.

Quellen: