Grüne industrielle Lösungen treiben das Marktwachstum für Energieanwendungen voran
Da die Menschen zunehmend den Umweltschutz priorisieren, Energieeinsparung, Emissionsreduktion und einen kohlenstoffarmen Lebensstil betonen, treibt der Wandel hin zu grüner Energie, Elektrifizierung und Energieeffizienz das schnelle Wachstum von Produkten und Anwendungen im täglichen Leben und in industriellen Sektoren wie Elektrofahrzeugen, Photovoltaik-Stromerzeugung, Energiespeicherung und mehr voran. Dieser Artikel bietet Ihnen einen Überblick über das Konzept und die Anwendungen von Green Industrial Solutions (GIS) sowie über relevante Anwendungslösungen, die von onsemi eingeführt wurden.
Industrielle Anwendungen bewegen sich in Richtung Entwicklung von grüner Energie und Elektrifizierung
Verglichen mit dem Energieverbrauch in Konsumgüter- und Industriesektoren sind industrielle Anwendungen die wahren Großverbraucher von Energie. Daher verlagern sich viele industrielle Anwendungen unter dem Trend des Umweltschutzes mit einem Fokus auf Kohlenstoffreduktion und Dekarbonisierung hin zur Nutzung von grüner Energie und Elektrifizierung, um die Energietransformation voranzutreiben und die Entwicklungsziele der grünen Industrie zu erreichen. Derzeit sind Lösungen wie Solar-Lösungen, Industrieantriebe, Wärmepumpen, industrielle HVAC, unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Festkörpertransformatoren (SST), Energiespeicherung und DC-Schnellladen alles Anwendungen, die hocheffiziente Energiesparlösungen zur Energieoptimierung nutzen können. Laut Marktforschungsdaten wird erwartet, dass die weltweite PV-Installation bis 2024 auf 450 GW und weiter bis 2027 auf 684 GW steigt, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 14,4 % (geschätzt bei 400 GW in 2023, verglichen mit 252 GW in 2022). Der globale Markt für Energiespeichersysteme (ESS) wird ebenfalls voraussichtlich schnell wachsen, von 100 GWh im Jahr 2023 auf 258 GWh im Jahr 2026, mit einer CAGR von 37 %. Darüber hinaus trägt die Kombination von Solarenergie und Energiespeichertechnologien zusammen mit der zunehmenden Nutzung der Cloud und der Entwicklung regenerativer künstlicher Intelligenz (KI)-Anwendungen zur Senkung der durchschnittlichen Stromgestehungskosten (LCOE) bei und macht sie zu einer der kosteneffizientesten Formen der Energieerzeugung. Das schnelle Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge treibt auch die Nachfrage nach der Installation von Hochleistungs-DC-Schnellladegeräten (250KW+) und Megawatt-Ladegeräten an. Auf der anderen Seite hat der Aufstieg von verteilten Stromnetzen auch die Nachfrage nach SST, Energiespeicherung und Solarenergie erhöht. Darüber hinaus gewinnt die Entwicklung von Mikronetzen mit Photovoltaik, Energiespeichersystemen (ESS) und bidirektionalen Wohnladegeräten (<22KW) an Dynamik. Außerdem erfordert die ab 2023 geltende 80 PLUS Titanium-Verordnung der Europäischen Union eine höhere Leistungsdichte für Wärmepumpen und Motorantriebe. All diese Faktoren tragen zu den schnellen Wachstumstrends im grünen Industriemarkt bei.
Der Einsatz von Wärmepumpen ist ein schnell wachsender, aufstrebender Markt
Betrachtet man die Entwicklungstrends in Solar- und Energiespeicheranwendungen, so wird bei Anwendungen im Wohnbereich erwartet, dass Power Integrated Modules (PIM) sich in Richtung diskrete Entwicklung bewegen und Leistungshalbleiter von Silizium-basierten zu Siliziumkarbid (SiC) übergehen, wobei SiC-Module zum Mainstream-Produkt werden. In kommerziellen Sektoren wird erwartet, dass sich PIM zu hochleistungsfähigen diskreten Modulen entwickelt, und hybride SiC-Module werden zum Trend. In großen Versorgungsnetzen werden große PIM-Module und IGBT-basierte Leistungshalbleiter zu Mainstream-Produkten, und die Leistung wird von 225KW auf 350KW erhöht, während die bisherigen 1500V-Photovoltaikanlagen auf 2KV-Photovoltaik aufgerüstet werden. In der Anwendung von Ladegeräten für Elektrofahrzeuge (EV) wird erwartet, dass die Ladespannung für Ladestationen im Wohnbereich hauptsächlich 650 V beträgt, während externe DC-Schnellladestationen auf 1200 V übergehen, um die Ladegeschwindigkeit und Effizienz zu steigern. Diese Entwicklung zielt darauf ab, die Herausforderung der langsamen Ladegeschwindigkeiten bei Elektrofahrzeugen zu bewältigen und sie für Verbraucher attraktiver zu machen. Darüber hinaus wird in Übertragungssteuerungsprodukten wie HVAC (Heizung, Lüftung und Klimatisierung) und Motorsteuerung erwartet, dass die variable Frequenzsteuerung von Motoren, Leistungsumwandlung und Wechselrichter umfassend 650 V und 1200 V Leistungshalbleiter (PIM, IGBT, Dioden) nutzen. Wärmepumpen stellen einen weiteren schnell wachsenden Zukunftsmarkt dar. Am Beispiel des europäischen Marktes ist der aktuelle Wärmepumpenmarkt in der Europäischen Union nahe bei 3 Millionen Einheiten, und es wird erwartet, dass er bis 2025 auf etwa 4 Millionen Einheiten wächst und bis 2030 weiter auf 7 Millionen Einheiten ansteigt. Die Erreichung der Ziele zur Dekarbonisierung von Raum- und Wasserheizung könnte zu einer Reduzierung der CO2-Emissionen führen, die den jährlichen Abgasemissionen von Autos in Europa entspricht. Darüber hinaus hat die Vereinigten Staaten den Inflation Reduction Act (IRA) eingeführt, ein Steuervergünstigungsgesetz, das eine Kostensenkung von bis zu 30 % bei den Installationskosten bieten kann, um Verbraucher zum Einsatz von Wärmepumpen zu motivieren. Aus Marktperspektive führen derzeit japanische Hersteller von HVAC-Systemen im Wärmepumpensektor, aber bald werden die Europäische Union (Bosch), Südkorea (Samsung, LG) und chinesische HVAC-Hersteller voraussichtlich in diesen äußerst vielversprechenden Markt eintreten.
Der hocheffiziente 1200V IGBT reduziert erheblich die Leitungs- und Schaltverluste
Angesichts der vielversprechenden Entwicklung des grünen Industriemarktes hat onsemi eine Reihe von hocheffizienten 1200V Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Produkten eingeführt, um diesem Markt gerecht zu werden. Diese Geräte zeichnen sich durch branchenführende Leistungsniveaus aus, die die Leitungs- und Schaltverluste auf ein Minimum reduzieren. Sie sind dafür ausgelegt, die Effizienz von Anwendungen mit schnell schaltenden Komponenten zu verbessern und werden hauptsächlich in der Energieinfrastruktur wie Solarinvertern, unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Energiespeicherung und Ladestrom-Umwandlung für Elektrofahrzeuge eingesetzt.
Der 1200V Trench Field Stop (TFS) FS7 IGBT von onsemi wird in energieinfrastrukturanwendungen mit hoher Schaltfrequenz eingesetzt, um den Eingang auf eine hohe Spannung zu erhöhen (Boost-Stufe) und im Inverter, um den AC-Ausgang bereitzustellen. Die niedrigen Schaltverluste des FS7-Geräts ermöglichen höhere Schaltfrequenzen, reduzieren die Größe der magnetischen Komponenten, erhöhen die Leistungsdichte und senken die Systemkosten. Für Anwendungen in der Energieinfrastruktur mit hoher Leistung erleichtert der positive Temperaturkoeffizient des FS7-Geräts den Parallelbetrieb.
Das FS7-Gerät ist in Hochgeschwindigkeits- (S-Serie) und Mittelgeschwindigkeits- (R-Serie) Versionen erhältlich. Alle Geräte verfügen über eine optimierte Diode für niedrige VF, wodurch die Schaltverluste reduziert werden, und können bei einer Sperrschichttemperatur (TJ) von bis zu 175°C betrieben werden. Die S-Serie, wie z.B. FGY75T120SWD, übertrifft bestehende 1200V IGBTs auf dem Markt in Bezug auf Schaltleistung. Getestet mit einem Strom bis zu 7-mal des Nennwerts bieten diese hochzuverlässigen IGBT-Produkte eine erstklassige Schutzimpulsfestigkeit. Die R-Serie ist für Anwendungen mit mittlerer Schaltgeschwindigkeit optimiert, die sich auf Leitungsverluste konzentrieren, wie z.B. Motorsteuerungen und Halbleiterrelais. Der FGY100T120RWD weist ein VCESAT von nur 1,45V bei 100A auf, was um 0,4V niedriger ist als bei den Vorgängergenerationen.
Der FGY100T120RWD ist eine hochmoderne Field Stop 7. Generation IGBT-Technologie und Gen7-Diode. Er wird in einem 3-lead TP247-Gehäuse geliefert und bietet optimale Leistung mit geringen Leitungsverlusten und exzellenter Schaltsteuerbarkeit. Dies macht ihn geeignet für verschiedene Anwendungen wie Motorsteuerungen, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Rechenzentren, Hochleistungsschalter und mehr, um einen effizienten Betrieb sicherzustellen. Das FS7-Gerät ist in verschiedenen Gehäusen wie TO247-3L, TO247-4L, Power TO247-3L erhältlich und kann auch als Bare Die bereitgestellt werden, was Designflexibilität und alternative Konfigurationen für Designer bietet.
SiC-MOSFETs und Dioden erfüllen die Anforderungen von Hochleistungsanwendungen
Ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist eine Art Transistor mit einem isolierten Gate. Obwohl die Designelemente ähnlich sind, haben diese Siliziumkarbid (SiC) MOSFETs eine höhere Sperrspannung und eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Silizium (Si) MOSFETs. SiC-Leistungsbauelemente weisen auch einen geringeren Einschaltwiderstand und die zehnfache Durchbruchsfestigkeit von normalem Silizium auf. Im Allgemeinen bieten Systeme, die SiC MOSFETs verwenden, eine bessere Leistung und höhere Effizienz im Vergleich zu denen, die mit Siliziummaterialien hergestellt wurden. Die Wahl von SiC MOSFETs gegenüber Silizium MOSFETs bringt mehrere Vorteile mit sich, wie z. B. höhere Schaltfrequenzen. Bei Verwendung von SiC MOSFET-Modulen ist der Betrieb bei hohen Temperaturen kein Problem, da diese Geräte auch bei großer Hitze effizient arbeiten können. Zusätzlich profitieren Sie durch die Verwendung von SiC MOSFETs von kompakteren Produktgrößen, da alle Komponenten (Induktivitäten, Filter usw.) kleiner sind. onsemi hat eine Reihe von SiC MOSFETs und Dioden eingeführt, um den Anforderungen von Hochleistungsanwendungen gerecht zu werden. Die SiC MOSFETs von onsemi sind schnell und robust konzipiert und bieten Systemvorteile wie hohe Effizienz, reduzierte Systemgröße und Kosteneinsparungen. onsemi hat 650V SiC MOSFETs (M2- und M3-Serie) und 1200V SiC MOSFETs (M3-Serie) eingeführt, bekannt als EliteSiC MOSFETs. Diese neuen Produkte nutzen fortschrittliche Technologie und bieten überlegene Schaltleistung und höhere Zuverlässigkeit im Vergleich zu Silizium. Darüber hinaus sorgen ein geringer Einschaltwiderstand und kompakte Chipgrößen für geringe Kapazität und Gate-Ladung. Folglich umfassen die Systemvorteile höhere Effizienz, schnellere Betriebsfrequenzen, erhöhte Leistungsdichte, geringere EMI und kleinere Systemgrößen. Die EliteSiC MOSFET-Produktreihe ist sehr vielfältig und umfasst sowohl Automobilqualität (Teilenummer beginnend mit "NV") als auch Industriequalität (Teilenummer beginnend mit "NT") Produkte, mit verschiedenen Spezifikationen, um unterschiedliche Anwendungsanforderungen zu erfüllen. Produkte in Automobilqualität entsprechen dem AEC-Q101-Standard und können in automobilen DC/DC-Wandlern, automobilen Leistungsfaktorkorrekturen (PFC) eingesetzt werden. Zu den üblichen Endprodukten gehören angeschlossene Ladegeräte, EV/PHEV-automobile DC/DC-Wandler. Produkte in Industriequalität werden zu 100% auf Lawinen getestet und können in industriellen Anwendungen verwendet werden, zu den Endprodukten gehören unterbrechungsfreie Stromversorgungen/Energiespeichersysteme, Solar- und Elektrofahrzeugladegeräte und mehr. Um das Wertversprechen grüner industrieller Lösungen zu erfüllen, sind die Produkte von onsemi mit anwendungsoptimierten Topologien und Konfigurationen konzipiert. Sie verfügen auch über optimierte Pin-Layouts und direkt gebundene Kupfer (DBC) Layouts, zusammen mit einer umfassenden Kombination aus Silizium (Si) und Siliziumkarbid (SiC) Geräten. Dies, in Kombination mit einer breiten Palette von Verpackungsoptionen, gewährleistet Herstellungsflexibilität. onsemi bietet ein umfassendes SiC MOSFET-Produktportfolio, das Lösungen für schnelles DC-Laden von Elektrofahrzeugen umfasst, sowie Modulprodukte, die Leistungsbereiche von 40 kW bis 75 kW unterstützen. Das Unternehmen ist in verschiedenen Formaten führend, darunter Bare Dies, diskrete MOSFETs, innovative Module und fortschrittliche Topologien. Zusätzlich plant onsemi die Einführung von Evaluationsboards für diskrete SiC-Geräte und SiC-Module im ersten Quartal 2024, um den Kunden die vollständigste technische Unterstützung und Dienstleistungen zu bieten.
Fazit
Grüne Energie ist der Weg, den die Menschheit für eine nachhaltige Entwicklung einschlagen muss. Sowohl im täglichen Leben als auch bei den industriellen Energiebedürfnissen ist der Übergang zur Elektrifizierung in der Energie unerlässlich. Aufgrund des signifikant höheren Stromverbrauchs in der Industrie im Vergleich zum täglichen Leben wird die Einführung grüner industrieller Lösungen einen erheblichen Beitrag zum Ziel der nachhaltigen Energie leisten. onsemi hat ein komplettes Portfolio von SiC- und IGBT-Produkten vorgestellt, die auf verschiedene Energieprodukte anwendbar sind, eine höhere Energieumwandlungseffizienz bieten und eine der besten Wahlmöglichkeiten für verwandte Produkte und Anwendungen darstellen.
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