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Neue Generation von Leistungshalbleitern

Optimierung von Thyristorstrukturen senkt Leitverluste

Als Komponenten in zahlreichen Produkten und Systemen ermöglichen Leistungshalbleiter erhebliche Einsparungen beim Energieverbrauch und Effizienzsteigerungen in der Energieübertragung. Sie sind von zentraler Bedeutung, um die Ziele der Energiewende zu erreichen. Mit der Vorstellung einer neuen Generation von Leistungshalbleitern aus Lenzburg erweitert ABB das Produktportfolio in diesem Bereich.

Die vielfältigen Facetten der Energiewende in Europa reichen von einer Umstellung der Erzeugungsstruktur über den aus ihr resultierenden Umbau der Übertragungsnetze bis hin zur Senkung des Energieverbrauchs durch Verbesserung der Energieeffizienz. Leistungselektronische Systeme und Produkte spielen hierbei eine zentrale Rolle und sind entscheidende Faktoren für das Gelingen der Energiewende – beispielsweise durch Leistungshalbleiter in Form von Thyristoren und Transistoren. Diese funktionieren – vereinfacht dargestellt – wie Ventile für den elektrischen Strom und sind für das Schalten und Steuern hoher elektrischer Ströme und Spannungen verantwortlich. Mittels einer Steuerelektrode können sie von einem Blockierzustand, in dem sie wie ein Isolator wirken, in einen leitenden Zustand umgeschaltet werden. Dieses Umschalten geschieht innerhalb von Millionstelsekunden.

Im Gegensatz zu mechanischen Schaltern können Leistungshalbleiter daher bei einem Vielfachen der Netzfrequenz betrieben werden und – bei geeigneter Auslegung – auch über einen Zeitraum von mehr als 30 Jahren. Bei ABB werden die hauchdünnen Siliziumchips im schweizerischen Lenzburg unter Reinraumbedingungen gefertigt und kommen in den Bereichen Traktion, Industrie und Energieversorgung zum Einsatz. «Durch die Vielfältigkeit ihrer Einsatz gebiete kann man Leistungshalbleiter als das Rückgrat der Energiewende bezeichnen, erläutert Sven Klaka, Produktmanager bei ABB Semiconductors in Lenzburg.

Einsatz in der HGÜ-Technologie

Für die Energietechnik sind zwei Arten von schaltbaren Leistungshalbleitern von Bedeutung: Thyristoren zeichnen sich durch höchste Blockierspannungen von bis 8500 V bei geringsten Verlusten im leitenden Zustand (kleiner 1,8 V bei 5000 A) aus. Diese Bauelemente können allerdings nach dem Einschalten nur durch eine Umpolung des Stroms «ausgeschaltet» werden. Transistoren hingegen können sowohl kontrolliert ein- als auch jederzeit wieder ausgeschaltet werden. Allerdings hat diese zusätzliche Funktionalität höhere Verluste im leitenden Zustand zur Folge: Bei 4500 V Blockierfähigkeit muss bei einem Nominalstrom von 2000 A mit etwa 2,8 V Spannungsabfall gerechnet werden.

Bereits seit Mitte der 1970er-Jahre werden Thyristoren auch für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ, bei ABB: HVDC Classic) eingesetzt. Lange wurde angenommen, dass der Reifegrad dieser Anlagen seinen Zenit erreicht oder sogar überschritten hat. Neue Low-Loss Thyristoren von ABB zeigen nun, dass hier doch noch eine höhere Effizienz möglich ist und durch Optimierung der Thyristorstrukturen die Leitverluste der Umformer um 13 % gesenkt werden können. Neue HVDC Classic Systeme können damit eine Leistung von mehr als 10 GW übertragen.

Erweiterte Produktpalette bei ABB

Die Entwicklung der selbstgeführten HGÜ-Technologie, die ABB 1997 unter dem Namen HVDC Light eingeführt hat, war erst durch den Einsatz von Transistoren möglich. Hier kommen abschaltbare Bauelemente wie die IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) zum Einsatz. Vorteile dieser HGÜ-Technologie, zum Beispiel die Schwarzstartfähigkeit, machen sie zur idealen Technologie für die Anbindung von Offshore-Windparks mit Gleichstrom. Die Möglichkeit, mit den HGÜ-Konvertern Systemdienstleistungen zu erbringen, etwa die Kompensation von Blindleistung, ist einer der Gründe für ihren Einsatz zur effizienten Übertragung grosser Mengen an Strom von Nord nach Süd in den geplanten HGÜ-Korridoren.

Auch bei den Transistoren erweitert ABB die Produktpalette: Durch eine zweistufige Integration von Transistor- und Diodenfunktion auf einem Chip kann die Energiedichte um 50 % gesteigert werden. Dieser neue BiGT (Bimode IGBT) Chip zeichnet sich zudem durch eine besonders hohe Toleranz von Fehlerströmen aus. Als Erweiterung der Produktpalette werden künftig Bauelemente mit bis zu 3000 A Nominalstrom bei einem maximalen Abschaltstrom von 6000 A und einer Blockierspannung von 4500 V angeboten. Bei einem Durchlassspannungsabfall von lediglich 2,6 V bei Nominalstrom bleiben die Verluste sehr gering.