SI/502290

Schlussbericht

Die Entwicklung energieeffizienter Technologien ist nicht nur ein wichtiges Anliegen im Hinblick auf ein nachhaltiges Wachstum, sondern auch eine wichtige wirtschaftliche Frage in Gesellschaften, die mit steigenden Strompreisen konfrontiert sind. Eine empfohlene Strategie zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Anstrengungen auf die Entwicklung von Technologien zu richten, die in elektronischen Hochleistungsumrichtern eingesetzt werden, da ein erheblicher Teil des weltweiten Stromverbrauchs in diesen Systemen umgewandelt wird und verloren geht. Etwa 40-45 % der weltweiten elektrischen Energie wird in Motoren verbraucht, wobei ein großer Teil davon in Industrie- und Verkehrsanwendungen anfällt. Mittelspannungsstromrichter sind in solchen Anwendungen stark vertreten und stellen somit ein großes Potenzial für globale Energieeinsparungen dar. Als Bausteine für die Leistungselektronik spielen Leistungshalbleiter eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz. Leistungshalbleiter auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) können die Leistungsverluste von Umrichtern im Vergleich zur herkömmlichen Si-Technologie stark reduzieren. Ziel des SiC-MILE-Projekts war es, eine Technologie zu demonstrieren, die die künftige Entwicklung von Mittelspannungs-SiC-MOSFETs, Leistungsmodulen und Bahnstromrichterprodukten ermöglicht, wobei der Schwerpunkt auf den Spannungsklassen 3.3 und 6.5 kV lag. Das Design und die Verarbeitung der 3.3- und 6.5-kV-SiC-Chips sowie das Packaging, die elektrische Bewertung der Chips auf Wafer- und Modulebene und ihre Zuverlässigkeit werden in diesem Bericht ausführlich beschrieben. Darüber hinaus wurde ein spezieller Umrichterprüfstand entwickelt, um die Verluste von Si- und SiC-Leistungsmodulen im realen Umrichterbetrieb mit hochgenauen thermischen und elektrischen Methoden zu charakterisieren. Mit dem SiC-MILE konnten die folgenden Ergebnisse erzielt werden, die mit den vorgeschlagenen Zielen übereinstimmen: Prototypen von 3.3 kV und 6.5 kV SiC-MOSFETs wurden erfolgreich in der Produktlinie von Hitachi Energy hergestellt. Die elektrischen Parameter wurden analysiert. Es wurden TCAD-Simulationen durchgeführt, um das Zellenlayout zu optimieren und die am besten geeigneten Parameter zu finden. Dann wurden die ersten MOSFET-Bauelemente hergestellt. Für die 3.3-kV-Bauelemente wurden zwei Lernzyklen durchgeführt, in denen die Kanalprofile, die Kanallänge und die JTE-Dosis optimiert wurden. Die Vth-Werte liegen leicht gestreut zwischen 2.0V-3.0V. Die Rds,on-Werte liegen zwischen 150mOhm-250 mOhm, und die Leckage liegt bei allen Bauteilen zwischen 1-10 uA. Bei den 6.5kV-MOSFET-Bauelementen lag der Schwerpunkt der Optimierung vor allem auf dem Entwurf der Anschlüsse. Es wurden verschiedene p+-Ringe sowie JTE-Dosen verwendet, um das optimale Bauteil zu finden. Aus den am besten geeigneten Chips wurden Module hergestellt und charakterisiert. Anschließend wurden Si- und SiC-Module bei 3.3 kV und 6.5 kV erfolgreich demonstriert, wobei die elektrische Charakterisierung ihre Eignung für MV-Anwendungen bestätigte. Darüber hinaus wurde am FHNW ein Demonstrator eines 3,3-kV-Si- und SiC-Mittelspannungswandlers gebaut, der über die Möglichkeit zur thermischen und elektrischen Charakterisierung von Energieverlusten über einen weiten Frequenzbereich und unterschiedliche Gate-Widerstände verfügt. Das Ziel war es, die Umrichterverluste unter einer Reihe von Parametern zu extrahieren, die dann für verschiedene Zugtopologien und Systeme verwendet werden können. Die charakterisierten Energieverluste wurden dann zur Kalibrierung eines Eisenbahn-SiC-Wandlers mit unterschiedlichen Topologien, Frequenzen, Kühltemperaturen und Fahrzyklen verwendet. Im Vergleich zu einem Si-Umrichter weist der SiC-Umrichter aufgrund der geringeren Energieverluste einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Belastbarkeit über einen breiten Frequenzbereich auf. Dies ermöglicht nicht nur den Bau kleinerer Systeme aufgrund des geringeren Kühlungs- und Magnetisierungsbedarfs, sondern auch eine größere autonome Reichweite in Zügen mit Batterien. Die 6.5-kV-SiC-Module wurden zwar hergestellt, sind aber bei Tests im Umrichter gescheitert, so dass dessen Entwicklung bis zur Produktqualifikation fortgesetzt wird. Als weiteres wichtiges Ergebnis dieses Projekts haben wir die ersten detaillierten LCA-Studien zu SiCLeistungshalbleitern durchgeführt, die gezeigt haben, dass die neue Technologie im Vergleich zu Si-Mainstream sowohl in der Herstellungs- als auch in der Nutzungsphase deutlich geringere äquivalente CO2-Emissionen während des Lebenszyklus aufweist. Die Nutzungsphasen während der Lebensdauer haben den größten Anteil an der deutlich geringeren CO2-Bilanz von SiC. Bemerkenswert ist, dass die Substrat-Grauenergie pro Modul bei SiC zwar höher ist als bei Si, die Front-End-Grauenergie jedoch deutlich niedriger ist, da die Stromdichte von SiC-Chips höher ist und SiC-Module keine zusätzliche antiparallele Si-Diode benötigen. Schließlich konnten wir nachweisen, dass die Energieverluste in SiC-Traktionsumrichtern im Vergleich zu den derzeit verfügbaren kommerziellen Technologien auf Si-Basis um 40 bis 75 % geringer sind, je nach Antriebszyklus und Topologiebedingungen. Wenn man von 50 % geringeren Verlusten ausgeht, würde dies einer Energieeinsparung von 13 GWh/Jahr in der Schweiz entsprechen, was fast der gesamten Energie entspricht, die von den schweizerischen Kernkraftwerken Beznau (KKB) und Gösgen (KKB) zusammen pro Jahr erzeugt wird.