Meilensteine der Elektronik

Vom Selen zum Siliziumkarbid: Historie der Leistungselektronik

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Aus den beiden Unternehmenszweigen Siemens-Halbleiter und AEG-Halbleiter wird Anfang der 1990er die European Power Electronic Company oder eupec GmbH ausgegliedert mit dem Ziel, Hochleistungshalbleiter am Markt zu etablieren.

Bereits 1993 erscheint mit dem Industrial High Power Module (IHM) das erste industrietaugliche IGBT-Modul, das mit einer Sperrspannung von 1200 V und einer Stromtragfähigkeit von 1000 A neue Maßstäbe setzt und zum de-facto-Standard avanciert.

Die hier gestartete Entwicklung bringt in kürzester Zeit immer weiter optimierte Generationen von IGBTs hervor, die bis heute der Schlüssel zur effizienten Umwandlung von elektrischer Energie sind.

Wegen seiner speziellen Eigenschaften erobert der IGBT eine breite Vielfalt von Applikationen und findet sich heute in allen Leistungsbereich von unter 1 kW bis hin zum Höchstleistungsbereich der Gigawattanwendungen wieder. Die im gleichen Zuge stetig steigenden Anforderungen vom Markt drängen die Entwickler gleichzeitig dazu, neben dem eigentlichen Halbleiterschalter auch die umgebende Aufbau- und Verbindungstechnik zu verbessern.

Das Aufgabengebiet Hochleistungshalbleiter wird damit zur interdisziplinären Gesamtaufgabe an der neben den Elektrotechnikern auch Halbleiterphysiker, Metallurgen, Mechaniker, Chemiker, Kunststoff- und Prozesstechniker intensiv mitwirken.

Einst und Jetzt – war früher alles besser?

Welchen globalen Einfluss die Leistungselektronik auf Technik und Gesellschaft hat, entzieht sich sprichwörtlich der Vorstellungskraft. Am besten lässt er sich anhand der nachfolgenden Beispielen darstellen, die sich im Leben Aller wiederfinden. Eine Leuchtstoffröhre mit einer Nennleistung von 36 W und konventionellem Vorschaltgerät ohne Leistungselektronik entnimmt beim Betrieb dem Netz etwa 50 W.

Die gleiche Röhre, betrieben mit elektronischem Vorschaltgerät, konsumiert weniger als 40 W. Bei gleicher Ausbeute bedeutet dies eine Steigerung des Wirkungsgrades von über 25 %. Ein Auto mit Verbrennungsmotor erreicht im alltäglichen Einsatz einen Wirkungsgrad weit unter 20 %, ein vergleichbares Elektrofahrzeug liegt dagegen bei über 80 %.

Die Ausstattung moderner Züge mit rückspeisefähiger Technik spart bei den Betreibern monatlich erhebliche Geldbeträge aber auch der „kleine Mann“ profitiert von Verbesserungen durch den Einsatz von Leistungshalbleitern. Ein Schweißgerät auf Basis gewickelter Transformatoren bringt, je nach Leistungsklasse, leicht ein Gewicht von 50 kg auf die Waage. Ein leistungsgleiches Gerät, ausgestattet mit Leistungselektronik, geht heute als leichtes mobiles Equipment durch.

Deutschlands ehrgeiziges Projekt Energiewende ist überhaupt erst mit den Mitteln der Leistungselektronik möglich. Windkraft- und Solaranlagen liefern, anders als thermisch betriebene Kraftwerke, keine konstante Spannung. Die von Windkraftanlagen gelieferte Wechselspannung muss in Frequenz und Amplitude an das Netz angepasst werden.

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