Startseite > IT & Security > Datacenter-Infrastruktur > Wie Siliziumkarbid die Energiesysteme verändert

Weltweiter Anstieg des Energieverbrauchs

Wie Siliziumkarbid die Energiesysteme verändert

15. April 2025, 12:10 Uhr | Von Michael Williams, Marketingdirektor für Industrie und Infrastruktur bei Infineon Technologies, und Shawn Luke, technischer Marketingingenieur bei DigiKey

Allein auf Rechenzentren entfallen heute schätzungsweise drei Prozent des weltweiten Energieverbrauchs.

Siliziumkarbid (SiC) ermöglicht eine Verringerung der Energieverluste über mehrere Umwandlungsstufen hinweg. Sein hoher Wirkungsgrad führt zu geringeren Energieverlusten, einer geringeren Wärmeentwicklung und damit letztlich zu einem geringeren Kühlungsbedarf in den verschiedensten Applikationen.

▶ Diesen Artikel anhören

Siliziumkarbid (SiC) ist zu einem Eckpfeiler für die Steigerung der Effizienz und die Unterstützung der Dekarbonisierung in allen Branchen geworden. Es ist ein Wegbereiter für fortschrittliche Stromversorgungssysteme, die den wachsenden globalen Bedarf an erneuerbaren Energien, Elektrofahrzeugen, Rechenzentren und Netzinfrastrukturen decken. Gegenüber herkömmlichen Silizium-Bauelementen hat die SiC-Technologie Vorteile, insbesondere bei der Effizienz der Leistungsumwandlung und in thermisch empfindlichen Situationen. Als Gesamteffekt in der Elektronik- und Energiebranche kann sie zu mehr Rentabilität und Nachhaltigkeit führen.

Verschiebung des Stromverbrauchs

»In der Vergangenheit war der größte Teil des Stromverbrauchs mit einer Art von Motorsteuerung verbunden, etwa bei industriellen Automatisierungsanwendungen und Fabriken, im Schienenverkehr, bei der Bewegung von Pumpen für die Abwasserbehandlung oder bei Flüssigkeiten wie Öl in Pipelines«, sagt Michael Williams. »Mit der Einführung von Siliziumkarbid gab es auf dem Markt eine Verschiebung in Richtung Effizienzsteigerung, die eine Verringerung der Energieverluste über mehrere Umwandlungsstufen hinweg ermöglichte und damit Anwendungen mit hohem Bedarf unterstützte.«

Dieser Wandel konzentrierte sich auf die Dekarbonisierung und die Entwicklung neuer Generationen erneuerbarer Technologien, einschließlich erneuerbarer Energiesysteme, EV-Infrastruktur und Rechenzentren. Darüber hinaus wurde der Wirkungsgrad der Energieumwandlung von etwa 95 auf 98,5 Prozent verbessert, was zu geringeren Energieverlusten, einer geringeren Wärmeentwicklung und einem geringeren Kühlungsbedarf führt.

Netzinfrastruktur

Allein die Übertragung von Strom aus dem Netz oder einer Hochspannungsleitung in ein Rechenzentrum kann zu einem Stromverlust von fünf bis sechs Prozent führen, wenn der Strom mehrere Umwandlungsschichten durchläuft. Allein auf Rechenzentren entfallen heute schätzungsweise drei Prozent des weltweiten Energieverbrauchs, der bis 2030 auf vier Prozent ansteigen soll, wie dem Data Centre Magazine 2022 zu entnehmen war. Und eine Verlangsamung dieses Prozesses ist nicht in Sicht.

SiC kommt für die Stromversorgungsinfrastruktur von Rechenzentren ins Spiel, indem es die Effizienz und die Systemkosten von Energiespeichern im Netzmaßstab und von zentralen Solarwechselrichtern steigert. Durch die kombinierte Lösung wird es zukünftigen Rechenzentren möglich sein, in einer Mikronetzumgebung zu arbeiten und so die Belastung des bereits überlasteten US-Netzes zu reduzieren.

»Mit der Elektrifizierung des Automobils kommen viele Referenzdesigns mit bidirektionalem Laden und fortschrittlicher Leistungselektronik auf den Markt, das heißt, sie laden in den Nebenzeiten und speisen den Strom in den Spitzenzeiten in das Netz zurück«, so Shawn Luke.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

SiC ist eine Technologie mit breiter Bandlücke, die höhere Spannungen und schnellere Schaltgeschwindigkeiten in Anwendungen wie dem Laden von Elektrofahrzeugen ermöglicht. Dies hat eine vollständige Umgestaltung der globalen Netzinfrastruktur ermöglicht und gleichzeitig die Systemkomplexität und die Gesamtkosten verringert.

Entwickeln mit SiC-Technologie

Zwar adressiert die SiC-Technologie die Effizienz sehr gut, aber es gibt Fälle, in denen ein kleines Produkt benötigt wird, und in diesen Fällen werden Bauteile mit breiter Bandlücke (WBG) oder Silizium (Si) verwendet.

»So wie ein Entwickler drei Technologien zur Auswahl hat, so hat er auch drei grundlegende Designüberlegungen. Mache ich mein Produkt kostengünstig, mache ich mein Produkt kompakt oder mache ich mein Produkt effizient?«, erklärt Williams. »Wenn ein Entwickler zwei dieser Prioritäten wählt, kann er SiC-Lösungen wählen. Um alle drei Aspekte zu berücksichtigen, sind jedoch Bauelemente mit großer Bandlücke erforderlich. Der wichtigste Faktor für kompakte Produkte ist die Erhöhung der Schaltfrequenz, um die Größe der Magnete und Kapazitäten im System zu verringern.«

Aufgrund der breiten Bandlücke der SiC-Technologie können höhere Spannungen verwendet werden, was die nächste Generation der Technologieimplementierung ermöglicht hat. Herausfordernd daran ist, dass SiC ein komplexes Material ist, da es ein wesentlich steiferes Grundmaterial ist als herkömmliches Silizium.

Leistungszyklen sind ein Schlüsselfaktor bei der Entwicklung von Gehäusen, da sie die Verbindung zwischen dem SiC-Chip und seinem Leiterrahmen oder Substrat belasten, was zu einem vorzeitigen Ausfall des Bauteils führen kann. Die Entwicklung neuer Verbindungstechnologien zur Verbesserung des Leistungszyklus künftiger SiC-Bauelemente ist wichtig, um den künftigen Anforderungen eines dekarbonisierten Netzes gerecht zu werden.

»Anwendungen nutzen heute viel höhere Leistungszyklen als die Motorantriebsanwendungen der Vergangenheit«, erläutert Williams. »Infineon hat sich auf die Entwicklung der XT-Technologie konzentriert, einer fortschrittlichen Verbindungstechnologie, die die Performance bei Leistungszyklen nachweislich um mehr als das 22-fache im Vergleich zu herkömmlichen Weichlöttechniken erhöht. Diese Technologieentwicklung ermöglicht eine höhere Leistungsdichte, eine verbesserte thermische Leistung und eine maximale Systemlebensdauer, was den Wechsel zu mehr erneuerbaren Energiequellen ermöglicht.«

Innovationen auf dem Energieumwandlungsmarkt

Ein Bereich, der begeistert, ist die Dekarbonisierung des Stromnetzes und die damit verbundene Abkehr von fossilen Energieträgern wie Kohle und Erdöl.

»Es ist möglich, die Dekarbonisierung sowohl auf der Makroebene durch die Umstellung der Energieversorgungsunternehmen auf Wind-, Solar- und Wasserkraft voranzutreiben als auch auf der Verbraucherebene durch Elektrofahrzeuge und Ähnliches«, so Luke. »Materialien wie SiC tragen dazu bei, dass wir uns mehr als je zuvor den Mikronetzen nähern, die Energiequellen lokalisieren, um die Umwandlung und den Verlust zu verringern und so die Dekarbonisierung zu unterstützen.«

Eine weitere Innovation, die sich der Meinung der Autoren nach stark auf den Energiesektor auswirken wird, ist die Einführung von Halbleitertransformatoren. Diese können die Infrastruktur des Stromnetzes erheblich verbessern, indem sie die Größe, die Installationszeit und die Gesamtkomplexität des Versorgungsstandortes verringern. Durch den Einsatz von Halbleitertransformatoren werden modulare Hochspannungssysteme und Mikronetzlösungen möglich, die zu einer nachhaltigeren Energieverteilung führen.

Wie geht es weiter?

Da ständig neue Technologien auf den Markt kommen, ist davon auszugehen, dass SiC eine dauerhafte Präsenz haben wird.

»Experten bei Infineon gehen davon aus, dass Silizium-Schaltkomponenten den Markt für den Rest des Jahrzehnts weiterhin dominieren werden«, versichert Williams. »Wir haben eine einzigartige Position auf dem Markt, da wir alle drei Schalttechnologien anbieten: Silizium, Siliziumkarbid und Galliumnitrid, und wir sehen keine Bedrohung durch Leistungsbauelemente mit großer Bandlücke, die den Gesamtmarkt verkleinern würden.«

Unternehmen wie Infineon investieren in die Skalierung der Fertigung, um die Kapazität zu erhöhen, und entwickeln Lösungen, die die Leistungseffizienz verbessern und gleichzeitig die Kosten der SiC-Technologie senken. Innovationen wie modulare Mikronetze, verteilte Gleichstromnetze und Fusionsreaktoren sind in Sicht, und SiC steht im Mittelpunkt dieser Fortschritte. Durch die starke Partnerschaft mit dem globalen Distributor DigiKey und die schnelle Bereitstellung neuer Technologien durch ein Vertriebsmodell ohne Mindestbestellmenge und mit hoher Verfügbarkeit sind Entwickler und Ingenieure gut gerüstet für die Herausforderungen, die auf sie zukommen«.