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3,3-kV-SiC-Hochleistungsmodule

Infineon stellt Weichen für einen nachhaltigen Schienenverkehr

23. September 2024, 14:00 Uhr | Von Dr. Konrad Schraml und Dr. Diana Car, Infineon Technologies

Bild 1: Der globale Vergleich zeigt: Die Elektrifizierung des Schienennetzes ist noch lange nicht abgeschlossen.

Für eine grüne Zukunft spielt der Schienenverkehr eine zentrale Rolle. Mit Hochleistungstechnologien treibt Infineon die Elektrifizierung der Züge voran: Die neuen 3,3-kV-Siliziumkarbid-Module reduzieren den Energiebedarf und verlängern die Lebensdauer von Hybridzügen.

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Im Jahr 2022 war der Verkehrssektor laut der Internationalen Energieagentur (IEA) für etwa 22 Prozent der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Um das Ziel der Klimaneutralität zu erreichen, ist es daher sinnvoll, im öffentlichen Verkehr zu umweltfreundlicheren Fahrzeugen überzugehen. Dazu gehört insbesondere der Umstieg von fossilen Brennstoffen auf alternative Antriebe wie elektrische Züge, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden. Auf diese Weise könnten die vom Schienenverkehr produzierten Treibhausgase weiter gesenkt werden. Allerdings muss dafür der Ausbau und die Elektrifizierung des Schienennetzes weiter vorangetrieben werden, denn obwohl Elektrolokomotiven bereits seit über einem Jahrhundert genutzt werden, ist die Elektrifizierung des Schienennetzes nach wie vor unvollständig.

Bei einem internationalen Vergleich werden erhebliche Unterschiede im Elektrifizierungsgrad der Bahnstrecken (Bild 1) deutlich: Mit einem Elektrifizierungsgrad von etwa 85 Prozent ist Indien der Spitzenreiter, gefolgt von Japan mit etwa 80 Prozent. China, das über das weltweit größte Hochgeschwindigkeits-Bahnnetz verfügt, liegt mit einer Elektrifizierungsrate von etwa 70 Prozent dicht dahinter. Dagegen sind in Europa rund 60 Prozent der Bahnstrecken elektrifiziert, während in Amerika noch überwiegend Dieselloks im Einsatz sind.

Angesichts des globalen Strebens nach Netto-Null-Emissionen müssen die restlichen Dieselzüge ebenfalls elektrifiziert oder durch Hybridzüge ausgetauscht werden, die den benötigten Strom aus Oberleitungen oder – dort, wo eine Elektrifizierung der Strecken nicht möglich ist – aus Bordbatterien oder Brennstoffzellen beziehen. Dadurch könnten allein in Deutschland jährlich bis zu 320 Millionen Liter Diesel eingespart werden, was in etwa 850.000 Tonnen CO2 entspricht. Im Zuge dieser Umstellung gewinnen Energieeffizienz und Gewichtsoptimierungen immer mehr an Bedeutung, weshalb energieeffiziente Leistungshalbleiter dringend benötigt werden, da sie Energieeinsparungen in verschiedenen Teilen des Zuges ermöglichen. Einige Beispiele hierfür:

Energiewandlung von der Oberleitung zum Motor, also im Leistungsumrichter zwischen Oberleitung und Zwischenkreis sowie im Motorumrichter zwischen Zwischenkreis und Antriebsmotor des Zuges
Leistungsübertragung von der Batterie oder Brennstoffzelle zum Motor, also im DC/DC-Wandler zwischen Batterie oder Brennstoffzelle und Zwischenkreis sowie im Antriebswechselrichter zwischen Zwischenkreiskondensator und Zugmotor
Stromversorgung von Zusatzsystemen wie Klimaanlage, Lüftung und Beleuchtung.

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Zukunftsweisende Siliziumkarbid-Leistungsmodule für den Schienenverkehr

Obwohl der Schwerpunkt häufig auf der Energieeffizienz liegt, sollten Züge darüber hinaus noch weitere Anforderungen erfüllen. So müssen sie beispielsweise in extremen Umgebungen und bei anspruchsvollen Einsatzprofilen über eine Lebensdauer von 35 Jahren oder länger zuverlässig funktionieren. Klimatische Herausforderungen wie extreme Kälte, Hitze und Feuchtigkeit sowie das ständige Beschleunigen und Bremsen können jedoch zu thermomechanischen Belastungen und Alterungsprozessen führen. Daher ist es wichtig, dass Leistungshalbleiter nicht nur energieeffizient und leistungsstark sind, sondern auch höchste Qualitäts- und Zuverlässigkeitsstandards erfüllen.

Mit diesen Herausforderungen im Blick ist es einem Entwickler-Team von Infineon in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Chemnitz nun gelungen, den weltweit ersten Siliziumkarbid-MOSFET mit vertikalem Kanal (Trench-MOSFET) in der 3,3-kV-Spannungsklasse zu entwickeln, wodurch der Weg hin zu energieeffizienten Zügen geebnet werden kann.

Diese SiC-Modulfamilie reduziert die Schaltverluste um bis zu 90 Prozent und ermöglicht auf diese Weise erhebliche Energieeinsparungen beim Antrieb von Zügen (Bild 2). Zudem sorgt die innovative Kupfer-Kontaktierung der .XT-Verbindungstechnologie für eine deutlich verlängerte Lebensdauer der Module und damit für ein nachhaltigeres und kosteneffizienteres System. Für die Entwicklung des auf SiC basierten Energiesparchips wurde Infineon für den Deutschen Zukunftspreis 2024 nominiert. Der Zukunftspreis ehrt herausragende technische, ingenieur- und naturwissenschaftliche Leistungen, die zu anwendungsreifen Produkten führen, und wird vom deutschen Bundespräsidenten ausgelobt.

Die neuen Module mit CoolSiC-Technologie ermöglichen erhebliche Energieeinsparungen, etwa bei der industriellen Stromerzeugung in Solarparks oder Windkraftanlagen, bei der Stromübertragung und vor allem im Verbrauch, wo hohe Leistungen im Megawattbereich benötigt werden. Zudem stellen die Module hohe Leistungen bereit: bis zu 1,5 Megawatt für Anwendungen mit anspruchsvollen Einsatzprofilen wie etwa Schienenfahrzeuge. Ausgestattet mit den neuen Modulen kann eine einzelne Lokomotive im Vergleich zu bisherigen siliziumbasierten Komponenten etwa 300 Megawattstunden pro Jahr einsparen, was ungefähr dem Jahresbedarf von 100 Einfamilienhäusern entspricht. Mit den neuen Produkten leistet Infineon somit einen wichtigen Beitrag zur Elektrifizierung des Schienenverkehrs und damit auch zur Dekarbonisierung.