Hersteller und Verbraucher versuchen gleichermaßen, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, weshalb Elektrifizierungslösungen weit verbreitet sind. Dies ist wichtig für den Umweltschutz, die Begrenzung der Umweltverschmutzung und die Verlangsamung des schädlichen globalen Erwärmungstrends. Elektrofahrzeuge (EV) werden weltweit immer beliebter, und viele Unternehmen steigen in den Markt ein, um kommerzielle und landwirtschaftliche Fahrzeuge (CAV) auf elektrischen Antrieb umzurüsten.

Dieser Wandel führt jedoch zu einem rapiden Anstieg des Strombedarfs und belastet die Stromnetze enorm. Trotz hoher Effizienz benötigen Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, Rechenzentren und Wärmepumpen immer noch große Mengen an Energie für ihren Betrieb.

Neue erneuerbare Energiequellen wie Solarenergie, Windenergie und Wellenenergie sind weit verbreitet und werden allmählich zum Mainstream. Nur Anwendungen, die vollständig mit erneuerbaren Energien betrieben werden, können als wirklich "sauber" angesehen werden.

Der Solarenergiemarkt ist bereits seit vielen Jahren entwickelt und relativ ausgereift. Laut einem Bericht von Fortune Business Insights wird der Solarenergiemarkt derzeit auf 273 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2032 auf 436 Milliarden US-Dollar anwachsen. Im Jahr 2023 betrug der Anteil des nordamerikanischen Solarmarktes über 40 %.

Herausforderungen bei der Stromumwandlung in erneuerbaren Energieanwendungen

Die Solarenergieerzeugung wächst rasant. Daten der Internationalen Energieagentur (IEA) zeigen, dass die Solarenergieerzeugung im Jahr 2022 um 26 % gegenüber dem Vorjahr auf 1300 TWh gestiegen ist. Dies markiert den Punkt, an dem die Solarenergie die Windenergie überholt hat und zur größten erneuerbaren Stromquelle geworden ist.

Solar-Photovoltaik (PV)-Module erzeugen Gleichstrom (DC), während das Netz Wechselstrom (AC) benötigt. Daher sind zentrale PV-Wechselrichter ein wesentlicher Bestandteil großer netzgekoppelter Anlagen. Die gesamte von den PV-Modulen erzeugte Energie durchläuft den Wechselrichter, sodass die Effizienz des Wechselrichters eine große Rolle spielt. Obwohl Solarenergie unerschöpflich ist, führt eine geringe Umwandlungseffizienz dazu, dass nur eine begrenzte Menge an Energie ins Netz eingespeist wird. Die bei diesem Prozess verschwendete Energie wird in Wärme umgewandelt, was wiederum eine große Herausforderung darstellt, da sich viele Solaranlagen oft in sonnenreichen, heißen Umgebungen wie Wüsten befinden.

Die Kosten sind ebenfalls ein sehr wichtiger Faktor, der sich direkt auf die Stromrechnungen der Verbraucher und die Rentabilität der Energieversorger auswirkt. Um höhere Leistungen zu erreichen, verwenden viele zentrale Wechselrichter mehrere parallel geschaltete Umrichtermodule, wobei die Anzahl von der Nennleistung jedes Moduls abhängt. Je höher die Leistungskapazität jedes Moduls, desto weniger Module werden benötigt, was die Kosten senken kann.

Obwohl Elektrofahrzeuge bereits große Fortschritte gemacht haben, kommen CAVs bei der Umstellung auf elektrischen Antrieb nur langsam voran. CAVs sind größer, verbrauchen mehr Kraftstoff pro Fahrt und verursachen mehr Emissionen. Obwohl sie nur 2 % aller Fahrzeuge ausmachen, sind sie für 28 % der Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor verantwortlich. Während die Elektrifizierung von gewerblichen Personenfahrzeugen (wie Bussen) bereits erste Erfolge zeigt, sind die meisten großen Lkw, Baumaschinen und landwirtschaftlichen Fahrzeuge (wie Traktoren) immer noch auf Diesel angewiesen. Jetzt beginnt sich dies zu ändern. Um die strengen Null-Emissions-Vorschriften globaler Märkte wie der EU, China und Kalifornien (USA) zu erfüllen, wird erwartet, dass der Anteil der verkauften Elektro-Lkw (rein elektrisch und Hybrid) bis 2030 von derzeit 5 % auf 40 %-50 % steigen wird.

Im Vergleich zu Nutzfahrzeugen mit fossilen Brennstoffen sind elektrische Nutzfahrzeuge einfacher aufgebaut und haben weniger bewegliche Teile. Bei gleicher Tragfähigkeit sind Elektrofahrzeuge kleiner, zuverlässiger und haben geringere Wartungskosten. Da die Batteriekosten inzwischen drastisch gesunken sind, liegen die Gesamtbetriebskosten (TCO) von elektrischen CAVs bereits unter denen von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICE).

Ähnlich wie bei Solaranwendungen ist auch bei elektrischen CAVs die Effizienz eine entscheidende Anforderung. Die Batteriekapazität jedes Fahrzeugs ist begrenzt. Je effizienter der Umwandlungsprozess im Wechselrichter ist, desto weiter kann das Fahrzeug fahren. Oder es wird weniger Energie benötigt, um die gleiche Strecke zurückzulegen.

Angesichts unserer zukünftigen Abhängigkeit von Solarenergie und elektrischen CAVs wird auch die Zuverlässigkeit sehr wichtig.

Fortschrittliche Leistungselektronik für Wechselrichteranwendungen

Bei Hochleistungsanwendungen wie dreiphasigen Solar-PV-Wechselrichtern ist die dreistufige Active Neutral Point Clamped (ANPC)-Topologie weit verbreitet. Diese mehrstufige Topologie ist speziell darauf ausgelegt, die Leistung und Effizienz des Systems zu verbessern.

Ein herkömmlicher Neutral Point Clamped (NPC)-Wandler verwendet Dioden, um den Neutralpunkt des DC-Zwischenkreiskondensators mit dem Ausgang zu verbinden. In einer ANPC-Konfiguration (Abbildung 1) wird die Klemmung durch Schalter vorgenommen, was eine verbesserte Steuerung, geringere Schaltverluste und eine höhere Effizienz ermöglicht. Dies reduziert entsprechend den Bedarf an Kühlmaßnahmen und trägt so zu einer kleineren und kostengünstigeren Lösung bei.

Die Anordnung der Topologie reduziert die Spannungsbelastung der einzelnen Schalter und erhöht so die Zuverlässigkeit. Darüber hinaus erzeugt ANPC netzfreundliche Wellenformen.

Abbildung 1: ANPC-Wandler können einfach mit Modulen aufgebaut werden

Designingenieure können durch Parallelschaltung mehrerer Leistungsmodule, wie z.B. der QDual 3 IGBT-Module von onsemi, leistungsstarke dreistufige aktive Neutralpunkt-geklemmte Module erstellen, deren Systemausgangsleistung 1,6 MW bis 1,8 MW erreichen kann.

Abbildung 2: QDual3 IGBT-Modul

Das QDual 3 Modul integriert die neueste Generation der 1200 V Field-Stop 7 (FS7) IGBT- und Diodentechnologie und bietet so überlegene Leistung für Hochleistungsanwendungen. Im Vergleich zu früheren Generationen verbessert die FS7-Technologie die Durchlassverluste deutlich.

Abbildung 3: FS7-Technologie verbessert wichtige Leistungsparameter

Im FS7-IGBT-Prozess sorgen schmale Trench-Mesas für eine niedrige VCE(SAT) und hohe Leistungsdichte, während die Mehrfach-Pufferung durch Protoneninjektion für Robustheit und weiches Schaltverhalten sorgt (Abbildung 2). Die mittelschnellen FS7-Bauteile von onsemi erreichen eine VCE(SAT) von nur 1,65 V, ideal für Motorsteuerungsanwendungen; die schnellen FS7-Produkte haben eine EOFF von nur 57 µJ/A, was sie zur idealen Wahl für Hochleistungsanwendungen wie Solarwechselrichter und CAVs macht.

Abbildung 4: FS7-IGBTs sind kleiner und haben eine höhere Leistungsdichte

Die innovative FS7-Technologie ermöglicht eine um 30 % geringere Chipgröße in den neuen QDual3-Modulen im Vergleich zur vorherigen Generation (Abbildung 3). Diese Miniaturisierung in Kombination mit fortschrittlicher Verpackung ermöglicht eine deutliche Erhöhung des maximalen Nennstroms. In Motorsteuerungsanwendungen mit Betriebstemperaturen bis zu 150 Grad Celsius liefern die QDual3-Module eine Ausgangsleistung von 100 kW bis 340 kW, etwa 12 % höher als andere derzeit auf dem Markt erhältliche Produkte.

Zuverlässigkeit ist bei Solar- und CAV-Anwendungen von entscheidender Bedeutung, daher ist die Art und Weise, wie die Module konstruiert und getestet werden, von großer Wichtigkeit. Während viele ähnliche Lösungen beispielsweise Drahtbonden zur Befestigung der Anschlüsse verwenden, setzt onsemi auf Ultraschallschweißen der Module. Letzteres verbessert die Stromtragfähigkeit, bietet einen besseren Wärmeabfuhrpfad und ist robuster als ersteres (Abbildung 4).

Abbildung 5: Ultraschallschweißen reduziert Temperaturen und erhöht die Zuverlässigkeit

Diese Methode verbessert die Leitfähigkeit, reduziert dadurch elektrische Verluste und steigert die Effizienz. Darüber hinaus senkt sie die Betriebstemperatur, erhöht die mechanische Steifigkeit und verbessert die Gesamtzuverlässigkeit des Moduls.

Die neue Hochleistungs-QDual3-Technologie von onsemi

Das spezielle QDual 3 Half-Bridge IGBT-Modul ist für zentrale Solarwechselrichter, Energiespeichersysteme (ESS) und unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) vorgesehen; das hingegen für CAVs. Beide Bauteile basieren auf der FS7-Technologie und bieten verbesserte VCE(SAT)- und EOFF-Werte, was zu geringeren Verlusten und höherer Energieeffizienz führt.

Wenn man derzeit 600-A-IGBT-Module in ANPC/INPC-Topologie verwendet, um einen 1,725-MW-Wechselrichter zu entwerfen, werden insgesamt 36 Module benötigt. Mit den neuen NXH800H120L7QDSG und SNXH800H120L7QDSG, die einen Nennbetriebsstrom von 800 A haben, reduziert sich die Anzahl der benötigten Module um 9. Dies führt zu einer Einsparung von 25 % bei Größe, Gewicht und Kosten des Designs. Dies ist sowohl für Solaranwendungen als auch für CAV-Anwendungen äußerst wertvoll, da eine Gewichtsreduzierung und Effizienzsteigerung die Reichweite der Fahrzeuge erhöhen.

Abbildung 6: Höhere Stromtragfähigkeit ermöglicht den Aufbau von Systemen mit weniger Modulen

Diese Module enthalten eine isolierte Grundplatte für das Wärmemanagement und einen integrierten NTC-Thermistor. Sie unterstützen die direkte Montage auf der Leiterplatte über lötbare Pins und verwenden ein branchenübliches Layout, was ein einfaches Upgrade bestehender Designs auf die neue QDual3-Technologie ermöglicht.

Alle QDual3-Module von onsemi durchlaufen strenge Zuverlässigkeitstests und übertreffen damit andere vergleichbare Bauteile auf dem Markt. Unser Feuchtigkeitstest verlangt, dass die Produkte 2000 Stunden lang einer Vorspannung von 960 V standhalten, während vergleichbare Bauteile nur 1000 Stunden lang 80 V aushalten müssen. Vibrationstests sind für CAV-Anwendungen von entscheidender Bedeutung; unsere Produkte wurden 22 Stunden lang unter 30 G Spitze/10G RMS getestet und erfüllen damit die AQG324-Anforderungen. Andere Bauteile werden nur bei Vibrationspegeln von bis zu 5 G und für eine Dauer von nur 1 Stunde getestet.

Zusammenfassung

Die Nutzung erneuerbarer Energien nimmt weltweit zu, und die Stromnetze stehen unter enormem Druck. Die Solarenergieerzeugung ist bereits ausgereift und hat im Jahr 2022 die Windenergie als Hauptquelle erneuerbaren Stroms überholt.

Obwohl Fahrzeuge mit fossilen Brennstoffen nach wie vor eine große Schadstoffquelle sind, schreitet die Elektrifizierung von CAVs stetig voran und zeigt erste Erfolge.

Neue Halbleitertechnologien wie onsemis FS7 ermöglichen die Entwicklung verlustarmer, leistungsstarker Bauteile, die den Effizienz- und Zuverlässigkeitsanforderungen dieser Bereiche gerecht werden. Basierend auf dieser Technologie bieten onsemis neuen QDual3-Bauteile in einem kompakten Gehäuse eine hohe Leistungsdichte und hervorragende Energieeffizienz. Die robuste Leistung der QDual3-Bauteile wird durch verschweißte Anschlüsse und Qualifikationstests, die über die der Mitbewerber hinausgehen, gewährleistet.

Die Module der nächsten Generation, NXH800H120L7QDSG und SNXH800H120L7QDSG, haben eine Stromtragfähigkeit von bis zu 800 A. Dadurch reduziert sich die Anzahl der für den Wechselrichterentwurf benötigten Module um 25 %, was eine weitere Vereinfachung des Designs sowie eine Verringerung von Volumen, Masse und Kosten ermöglicht.

Dies ist zweifellos ein bedeutender Fortschritt, und onsemi wird das Hochleistungspotenzial der FS7-Technologie weiter erforschen, um weitere Module zu entwickeln, die über die aktuellen Standards hinausgehen, und damit den wachsenden Anforderungen der Solarindustrie und der CAV-Hersteller gerecht zu werden.