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Energieeinsparung im Schienenverkehr

SiC-Halbleitermodule für Bahnanwendungen

Bilder: Mitsubishi Electric
Bild 1: Größenvergleich zwischen einem konventionellen IGBT-Stromrichter und einem Voll-SiC-Stromrichter
© Bilder: Mitsubishi Electric

Mitsubishi Electric stellt seit fast zehn Jahren unter Beweis, dass sich SiC-Halbleiter auch für den rauen Einsatzbereich der Bahntechnik eignen und dort einen nachhaltigen Beitrag zu den Themen Effizienz, Größen- und Gewichtsreduzierung sowie Energieeinsparung leisten können.

Heutzutage werden in vielen Applikationen niedriger und mittlerer Leistung konventionelle Silizium-Leistungshalbleiter durch Siliziumkarbid (SiC) ersetzt. Damit können Umrichter, beispielsweise für erneuerbare Energien, Industrieantriebe oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen, noch effizienter und kompakter werden.

In letzter Zeit wird SiC auch immer häufiger für Hochleistungsanwendungen diskutiert, die zudem hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit stellen, wie beispielsweise Traktionsstromrichter für die Bahntechnik. Tatsächlich haben SiC-Leistungshalbleiter ihre überlegene Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit bereits in mehreren Einsatzjahren in der Bahntechnik unter Beweis gestellt.

Mitsubishi Electric hat bereits 2013 den weltweit ersten Hilfsbetriebeumrichter, der auf 1,2-kV-Voll-SiC-Leistungsmodulen basiert, für eine japanische Metro entwickelt und ausgeliefert. Dieses System ist 20 Prozent kleiner, 15 Prozent leichter und erzeugt 30 Prozent weniger Verluste als herkömmliche Produkte.

Im Jahr 2014 begann die erste Feldstudie eines 1500-A-Voll-SiC-Traktionsstromrichters. Der Stromrichter ist für 1500 V Gleichspannungsoberleitung ausgelegt und nutzt 3,3-kV-Voll-SiC-Leistungsmodule. Größe und Gewicht ließen sich um 65 Prozent reduzieren (Bild 1). Es wurde nachgewiesen, dass der Antriebsstrang, inklusive Stromrichter und Elektromotor, 40 Prozent Energieeinsparpotenzial gegenüber einem konventionellen System bietet.
Entsprechend haben Voll-SiC-Leistungsmodule ihre Zuverlässigkeit bereits in mehreren Jahren des Feldeinsatzes unter Beweis gestellt. Es wurde gezeigt, dass sie hocheffiziente und kompakte Hilfsbetriebeumrichter und Traktionsstromrichter ermöglichen.

Möglichkeiten zur Energieeinsparung

Traktionsstromrichter: Bei gleicher Sperrspannung sind SiC-Chips dünner und schalten schneller als Leistungschips basierend auf Silizium. Das ist ein Grund, weshalb Umrichter mit SiC-Leistungsmodulen üblicherweise bessere Wirkungsgrade aufweisen. Eine Recherche, die auf einem Lastprofil eines Nah­verkehrszuges basiert, zeigt, dass der Traktionsumrichter 59 Prozent der elektrischen Energie einspart, wenn er mit SiC-Leistungsmodulen ausgestattet ist, bei ansonsten identischen Betriebsbedingungen.

Bremsen und Energierückgewinnung: Eine weitere Möglichkeit der Energieeinsparung liegt dem Bremsvorgang und der Energierückgewinnung zugrunde. Während des Brems­vorgangs einer Zugmaschine werden die Leistungshalbleiter normalerweise mehr beansprucht als während der Beschleunigung. Das liegt vor allem an der kleineren Fläche der Freilaufdiode im Vergleich zur IGBT-Chipfläche. Daher ist die Menge an regenerativer Bremsenergie begrenzt insbesondere bei höheren Zuggeschwindigkeiten. Bei SiC-Leistungsmodulen unterstützt der SiC-MOSFET die Diode in diesem kritischen Betrieb. Da insbesondere bei höheren Zuggeschwindigkeiten mit höherer Bremsleistung rekuperiert werden kann, wie in Bild 2 dargestellt, steigt der Anteil der regenerierten Energie stark an. Dadurch werden zudem die mechanischen Bremsen entlastet und Wartungsintervalle verkürzt. Dies spiegelt sich auch in den Betriebskosten wider.

Relevante Anbieter

Mitsubishi Electric
Bild 2: Voll-SiC-Leistungsmodule ermöglichen höhere Leistungen beim rekuperativen Bremsen und ermöglichen eine verbesserte Energierückgewinnung.
© Bilder: Mitsubishi Electric

Heizung, Klimatisierung und Belüftung: Zweitgrößter Verbraucher elektrischer Energie in Schienenfahrzeugen sind die sogenannten Fahrgastkomfortanwendungen, im Englischen „Hotel Loads“. Ihr elektrischer Energiebedarf kann bis zu 50 Prozent des Gesamtenergiebedarfs eines Zuges erreichen. Heutzutage spielt diese Anwendung eine besondere Rolle, um beispielsweise das In­fektionsrisiko durch Bedrohungen wie das Covid-19-Virus zu minimieren. Diese Risikominderung wird erreicht, indem ein hohes Volumen an Frischluft dem Personenwagen zugeführt wird. Toträume sind zu vermeiden, damit ein optimaler Luftaustausch ermöglicht wird. Bei Verwendung von SiC-Leistungshalbleitern in solchen Anwendungen ist das gleiche Einsparpotenzial zu erwarten wie bei SiC-betriebenen Gebäudeklimaanlagen, die heute schon Stand der Technik sind.

Darüber hinaus ermöglichen die SiC-Leistungsbauelemente eine Erhöhung der Schaltfrequenz in einen Bereich, der für den Menschen nicht mehr hörbar ist, beispielsweise 16 kHz. Diese Frequenz ist relativ schwer mit Silizium-Bauelementen zu erreichen. Für kommerziell erhältliche SiC-MOSFETs hingegen beträgt die Gesamtverlustleistung bei diesen relativ hohen Schaltfrequenzen etwa ein Drittel derer von Silizium-IGBTs, was zur Reduzierung der CO2-Emissionen und zur Energieeinsparung beiträgt.

Magnetische Bauteile: Schließlich gibt es auch bei anderen Antriebsstrangkomponenten Energieeinsparpotenziale, die durch den Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern ermöglicht werden. Sie erreichen aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften höhere Schaltfrequenzen. Für viele magnetische Bauteile eröffnet diese Frequenzerhöhung völlig neue Designansätze. So können neue Materialien verwendet werden oder der Aufbau eines Elektromotors ändert sich von Grund auf. Solche neuen Designansätze gehen mit höheren Leistungsdichten und verbessertem Wirkungsgrad einher. Doch Kompaktheit, Gewichtsreduktion oder gar Eliminierung von Bauteilen spiegelt sich nicht nur in den Kosten positiv wider. Auch wird der Energieaufwand bei der Herstellung verringert. Diese verbessert auch die Energiebilanz des Schienenfahrzeugs signifikant. Diese Energiebilanz bringt die Menschheit näher an das „Net Zero“-Ziel der Europäischen Union für das Jahr 2050.

Mitsubishi Electric
Bild 3: Voll-SiC-Leistungsmodul für 3,3 kV und 750 A Nennstrom
© Bilder: Mitsubishi Electric

Zuverlässigkeit

Für die Ausfallraten von technischen Geräten über die Zeit ist die bekannte Badewannenkurve eine typische und weitverbreitete Darstellungsform. Dabei wird die Kurve in drei Bereiche unterteilt. Im ersten Bereich mit sogenannten Frühausfällen sinkt die Ausfallrate stark und schnell. Danach bleibt die Ausfallrate im zweiten Bereich während der Nutzungsphase konstant. Am Ende der Nutzungsphase steigt die Ausfallrate im dritten Bereich der Badewannenkurve wieder an. Dieser Bereich wird auch Verschleißphase genannt.

Besonders ärgerlich sind Ausfälle während der Nutzungsperiode des Bauteils, die aufgrund der unvorhergesehenen Ereignisse auftreten können. Diese Ausfälle verursachen viel höhere Reparaturkosten im Vergleich zu den regulären Wartungskosten. Ein Beispiel für einen unvorhersehbaren Versagensmechanismus ist der Ausfall des Halbleiters durch kosmische Strahlung. Hierzu lässt sich festhalten, dass die entsprechende Höhenstrahlungsfestigkeit oder LTDS (Long Time DC Stability) von Leistungshalbleitern mit SiC-Chips im Vergleich zu Silizium-Chips besser ist, insbesondere bei höheren Zwischenkreisspannungen.

Leistungsklassen

Zu Beginn der SiC-Ära war die Ausgangsleistung noch sehr begrenzt, da SiC-Leistungsmodule um einige Dekaden niedrigere Nennströme lieferten. Der niedrige Nominalstrom war ein Hindernis für den Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern in Bahnanwendungen, insbesondere im Antrieb. Heute kann man mit SiC-Leistungsmodulen eine Ausgangsleistung von mehr als 1 MW ohne Parallelschaltung erreichen. Der Nennstrom eines 3,3-kV-Voll-SiC-Leistungsmoduls, wie es in Bild 3 dargestellt ist, beträgt heute 750 A.


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