Allgemeine Trends und Technologien:
Die sogenannte Elektrifizierung und der Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien sind zweifellos ein bedeutender Trend, der uns allen bekannt ist. Dieser Sektor wird zahlreiche technologische Innovationen benötigen, um die von der Europäischen Kommission, dem US-Energieministerium und ähnlichen Initiativen in Asien angestrebte Klimaneutralität zu erreichen. Mit Blick auf die Entwicklungen der meisten Stromversorgungsunternehmen sehe ich vier Trends und eine technologische Entwicklung, die die Energiewirtschaft im Jahr 2022 prägen werden: reduzierter Energieverbrauch; die Integration von Stromversorgungen in das Machine-to-Machine-Ökosystem; verbesserte Energiespeicherlösungen; und beschleunigte Lösungen zur Energiegewinnung. All diese Bereiche werden vom Einsatz von Breitband-Halbleitern profitieren.
 
Im Bestreben nach reduziertem Energieverbrauch, von der Energiegewinnung bis zum Stromnetz, sucht die Leistungselektronikindustrie ständig nach neuen Wegen zur Effizienzsteigerung. Internationale und nationale Vorschriften haben Stromversorgungshersteller zu Innovationen gezwungen, doch es gibt bereits Diskussionen über strengere Regulierungen, die die Energiewirtschaft dazu anregen könnten, neue Topologien, Komponenten und Materialien zu erforschen.
 
Ich möchte diesen Trend anhand eines Beispiels veranschaulichen, das ihn sowohl beinhaltet als auch davon profitiert: E-Commerce.
 
Der E-Commerce wuchs bereits vor Covid-19, doch durch Lockdowns, Homeoffice und die drastische Reduzierung persönlicher Kontakte hat er exponentiell zugenommen und damit die Anforderungen an Fulfillment-Center, IT-Speicher und die gesamte Lieferkette enorm erhöht. Ganz abgesehen von den zugehörigen Rechenzentren, die für die Abwicklung des E-Commerce-Prozesses benötigt werden, sind Fulfillment-Center und Lager gigantisch und energieintensiv geworden. Alle großen Akteure haben geplant, die Energieeffizienz ihrer Fulfillment- und Versandzentren zu steigern, obwohl die Nachfragespitze von 2020/21 ein deutliches Signal war, ihren Energieverbrauch und ihr Energiemanagement zu überdenken.
 
Stromversorgungen selbst verbrauchen zwar nicht den größten Teil der Energie, aber aufgrund ihrer strategischen Position in der Lieferkette spielen sie eine Schlüsselrolle bei der Optimierung des Energieverbrauchs entlang der gesamten Kette. Im Jahr 2022 werden wir den Einsatz hochmoderner Stromversorgungen in E-Commerce-Fulfillment- und Versandzentren beobachten. Diese Systeme integrieren nicht nur fortschrittlichere Kommunikationsebenen, sondern können auch Energie aus Superkondensatoren speichern und wieder abgeben, wodurch Netzstörungen und Verbrauchsspitzen reduziert werden. Die bereits 2021 getesteten Stromversorgungen sind in ein komplettes Ökosystem mit Maschine-zu-Maschine-Kommunikation integriert (Abbildung 1). Sie versorgen nicht nur Verbraucher wie Förderbandmotoren mit Strom, sondern können auch den im lokalen Superkondensator gespeicherten Energiestand erfassen und anpassen (Abbildung 2).
 
Nahezu unsichtbar – von in Versandkartons integrierten RFID-Tags, die Energie aus Funksignalen beziehen, bis hin zu Sensoren an Motoren oder beweglichen Teilen, die durch Vibration angetrieben werden – entwickeln sich Mikrosysteme, die mit gespeicherter Energie betrieben werden, rasant. Auch hier ermöglicht die Nanotechnologie, beispielsweise mit Nanoröhren, die Entwicklung sehr kleiner Superkondensatoren, die genügend Energie speichern, um Sensoren und Sender zu versorgen. Um
 
diese Leistungsfähigkeit zu erreichen, müssen Leistungselektronikingenieure jedoch neue Stromversorgungslösungen mit sogenannten Breitband-Halbleitern entwickeln. Je nach Anwendung und Spannung werden GaN- oder SiC-Transistoren ausgewählt. Die Vorteile von Breitbandhalbleitern tragen jedoch dazu bei, den E-Commerce energieeffizienter zu gestalten und seinen CO₂-Fußabdruck zu reduzieren.
 
Entscheidende Elemente!
Seit Jahrzehnten ermöglicht die technologische Entwicklung Verbesserungen der Energieeffizienz von Netzteilen. Der Übergang von linearer zu Schaltnetzteiltechnologie war wohl der bedeutendste Schritt, gefolgt von weiteren kleineren Fortschritten bis hin zur Markteinführung digitaler Netzteile.
 
Obwohl diese bereits seit einigen Jahren verfügbar sind, wird die digitale Steuerung mit der aufkommenden WBG-Technologie und den damit verbundenen Möglichkeiten unerlässlich. Ich bin fest davon überzeugt, dass sie für Netzteilentwickler bei der Entwicklung neuer Produkte ein grundlegendes Element darstellen wird.
 
Was die Komponenten betrifft, werden WBG-Transistoren im Jahr 2022 zweifellos führend sein. Gleichzeitig machen auch konventionelle Leistungs-FETs große Fortschritte, und Netzteilentwickler müssen bei der Auswahl der am besten geeigneten Technologie für ihre Anwendungen neue Maßstäbe in der Bewertung und im Geschäftssinn setzen.
 
Ein drittes wichtiges Element ist der fortschrittliche Planartransformator mit verschachtelter Mehrkerntechnologie. Nicht alle Netzteile benötigen Megahertz-Schaltfrequenzen. Angesichts des ständigen Strebens nach kleineren und effizienteren Netzteilen müssen Entwickler jedoch neue Transformatoren und Wicklungstechniken in Betracht ziehen. In diesem Zusammenhang sind Ferrithersteller, die neue Materialien entwickeln, ebenso hilfreich wie KI-Software, die die Entwicklungs- und Testzeiten für neue Transformatoren verkürzt (z. B. Frenetic, Simba).
Ein konkretes Beispiel hierfür ist unsere Forschung bei PRBX. Wir kombinieren digitale Steuerung, GaN und Mehrkerntransformatoren mit fortschrittlicher Verdrahtung und Selbstoptimierung im breiten Betriebsbereich, wie er in manchen Industrieanwendungen mit extrem weiten Eingangsspannungsbereichen und wiederkehrenden Spitzenlasten vorkommt. Das Endprodukt ist noch nicht fertig, aber ohne die Kombination aus digitaler Steuerung, WBG und fortschrittlichem Magnetismus (Abbildung 03) nicht realisierbar.
 
Ich bin überzeugt, dass viele der neuen Produkte, die wir ab 2022 sehen werden, auf diesen drei Elementen basieren werden. Ich bin mir sicher, dass auch die Kommunikation im Rahmen eines Machine-to-Machine-Ökosystems eine wichtige Rolle spielen wird.
 
Wir haben Vertrauen in WBG!
Das Interessante an Halbleitern mit großem Bandabstand (WBG) ist, dass wir eine ähnliche Situation wie bei der Markteinführung der ersten Leistungs-MOSFETs erleben. Einige erkannten sofort die Vorteile von WBG, und obwohl die ersten Produkte aufgrund ihres Verarmungsmodus, der sehr spezielle Treiber erforderte, nicht besonders benutzerfreundlich waren, dauerte es nicht lange, bis Leistungshalbleiterhersteller benutzerfreundliche Lösungen anboten.
 
Die Hersteller bewerben die Vorteile dieser Technologie seit über fünf Jahren, doch während die Markteinführung bereit ist, dauert es noch einige Zeit, bis sie sich für breite Anwender durchsetzt.
 
Wir alle kennen die sogenannte „Kamelrückenkurve“, die die Einführung neuer Technologien und die Überwindung der Kluft veranschaulicht. Erfahrene Leistungselektronikentwickler haben diese technologische Kluft schon oft überwunden, zuletzt bei der Umstellung von analoger auf digitale Steuerung, deren Implementierung mehr als zehn Jahre in Anspruch nahm (Abbildung 4).
 
Im Fall von WBG – und insbesondere Galliumnitrid (GaN) – traten Pioniere deutlich früher auf den Markt als noch vor einigen Jahren prognostiziert. Es überrascht daher nicht, dass die Computer- und Mobilfunkbranche zu den ersten Anwendern zählten. Die Anzahl der 2020/21 angekündigten USB-C-Ladegeräte mit GaN-Halbleitern ist beeindruckend. Besonders hervorzuheben ist der GaNFast-Leistungs-IC der nächsten Generation von Navitas, der das 120-W-Ultraschnellladegerät des Vivo-Flaggschiff-Smartphones iQOO 9 Pro antreibt und die rasante Verbreitung von GaN in der mobilen Industrie verdeutlicht. Doch nicht nur die elektrische Leistung ist bemerkenswert: Durch den Einsatz von GaN wird die physische Größe um 26 % reduziert, wodurch eine erstaunliche Leistungsdichte von 1,3 W/cm³ erreicht wird (Abbildung 5).
 
Während digitale Stromversorgung zehn Jahre benötigte, um sich als Standardtechnologie zu etablieren, erreichte WBG ein ähnliches Niveau in nur fünf Jahren.
 
Das Interessante an der Entwicklung von WBG-Halbleitern ist, dass aufgrund der spezifischen Eigenschaften dieser Technologie – nämlich sehr geringer Innenwiderstand und sehr schnelle Schaltgeschwindigkeit – die Gehäusekonstruktion entscheidend ist. Hersteller bieten daher zahlreiche innovative Lösungen an. Technologisch betrachtet ist der Ansatz der effizienten Leistungsumwandlung (EPC) besonders interessant, da er Verbindungsverluste minimiert und eine beispiellose Miniaturisierung von Leistungswandlern ermöglicht (Abbildung 06).
 
Erwähnenswert ist die erstaunliche Anzahl an Online-Seminaren, die während der COVID-19-Pandemie angeboten wurden, ganz zu schweigen von der virtuellen APEC-2021. Viele Unternehmen nutzten diese Gelegenheit, um ihre Entwickler von Leistungselektronik in Online-Schulungen zu schulen. Infolgedessen berichteten einige Leistungshalbleiterhersteller von bis zu zehnmal mehr ausgelieferten Evaluierungskits als vor der Pandemie.
 
Vereinfacht man den Markt in zwei Segmente – Hochspannung (mit SiC) und Niederspannung (mit GaN) –, zeigen sich zwei unterschiedliche Entwicklungen. Hochspannungsanwendungen wie Elektrofahrzeuge und Solarenergie nutzen bereits SiC-Transistoren. Für dieses Segment stellt die Einarbeitungsphase in die relativ neue Niederspannungstechnologie daher keine große Umstellung für Energietechniker dar.
 
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass
die Pandemie uns alle auf sehr unterschiedliche Weise betroffen hat. Rückblickend hat sie jedoch dazu beigetragen, das Erlernen neuer Technologien zu beschleunigen und Innovationen voranzutreiben. Vor diesem Hintergrund wird 2022 ein sehr wichtiges Jahr für WBG, und wir können erwarten, dass im Laufe des Jahres zahlreiche neue Netzteile (AC/DC und DC/DC) angekündigt werden. 2022 wird ein spannendes Jahr für alle, die an der Entwicklung von Stromversorgungslösungen beteiligt sind.

Autor: Patrick Le Fèvre, PRBX, Direktor Marketing und Kommunikation
 
 
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Referenzen:
Powerbox (PRBX),
 
Navitas Semiconductors,

Efficient Power Conversion (EPC),
 
Frenetic

SIMBA,
 
Applied Power Electronics Conferences (APEC)