mini|Unterschiedliche Halbleiterbauelemente und deren maximale Ströme, Spannungen und SchaltfrequenzenLeistungshalbleiter (leistungselektronische Schalter oder auch „elektronische Ventile“) sind Halbleiterbauelemente wie Leistungstransistoren, die in der Leistungselektronik für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt sind (mehr als 1 Ampere und Spannungen von mehr als etwa 24 Volt).
Die Obergrenze der Größe sind jeweils mehrere Tausend Ampere und Volt. Die Bauelemente werden als Stromrichter (Leistungsumwandler) und Schaltregler in einer Vielzahl von Geräten, Systemen und Anwendungen eingesetzt.
Technologie und Bauelemente
Zur Leistungsumwandlung werden angepasste Varianten Silicium-basierter Halbleiterbauelemente benötigt, da hohe Ströme und Spannung diese zerstören würden. Zum Einsatz kommen vornehmlich folgende Bauelemente: Leistungsdioden sind Schaltelemente, die den Strom prinzipiell nur in einer Richtung oder nur oberhalb eines bestimmten Spannungswertes durchfließen lassen. Sie werden häufig in Gleichrichter-Schaltungen verwendet. Thyristoren (kurz und im Englischen auch genannt: GTO, Gate-Turn-Off oder SCR, Silicon-Controlled-Rectifier) sind Schaltelemente, die den Schaltpunkt durch eine steuerbare Spannung an einer Steuerelektrode beliebig und flexibel einstellen lassen. Sie sind neben dem Gleichrichter die typischsten Bauteile der Leistungselektronik. Sie haben die vielfältigsten Anwendungen zum Schalten, Steuern und Regeln. Triacs sind zwei Thyristorelemente in einem Bauteil, die gegenläufig parallelgeschaltet sind und gemeinsam gesteuert werden. Mit Triacs werden vor allem Wechselströme gesteuert und geschaltet. Leistungs-MOSFETs und IGBTs sind Transistoren mit besonderen Schalt- und Leistungseigenschaften. Einzelne moderne Bauelemente basierend auf Materialien mit verbesserten Eigenschaften, auch bekannt als die Halbleiter mit breitem Bandabstand. Während der Entwicklung werden die Halbleiterbauelemente diversen Prüfungen unterzogen, wie dem Doppelpulstest.
Anwendungsgebiete mini|Ausschnitt eines geöffneten IGBT-Moduls (EconoPACK) des Halbleiterhersteller Infineon. Zu erkennen sind die parallelgeschalteten Si-basierten IGBTs und Freilaufdioden. Aufnahme von 2013. Leistungshalbleiter dienen der Umformung bzw. Anpassung von Spannung, Strom und Frequenz eines elektrischen Versorgungssystems an ein anderes bzw. an andere Größenwerte. Dies sind insbesondere DC/DC- und DC/AC-Wandler, siehe auch die Stromrichter. Typische Verwendungen sind für Industrieantriebe und Motorsteuerungen (Wechselrichter, Servoantriebe), erneuerbare Energien (Solarwechselrichter) und elektrische Antriebe in der Verkehrstechnik (als Teil der Elektromobilität, z. B. Hybridfahrzeuge und batterieelektrische Fahrzeuge).
Leistungshalbleiter werden zur Erhöhung der Stromtragfähigkeit parallel geschaltet (Parallelschaltung). Da dies mittels diskreter Bauelemente in Standardgehäusen (TO-220, TO-247) sehr aufwändig und unökonomisch ist, werden für komplexere Schaltungen Leistungsmodule verwendet. Diese beinhalten neben denen in einer bestimmten Schaltungstopologie verschalteten Leistungschips noch Strommesswiderstände (Shunts) sowie elektrische Kontakte und verfügen in vielen Fällen über eine elektrisch isolierende, thermisch jedoch gut leitfähige Grundplatte.
Markt
Der Markt für Leistungshalbleiter wird (Stand 2022) auf ca. 28 Milliarden US-Dollar geschätzt. Die Umsätze mit Bauteilen basierend auf GaN oder SiC werden im ein- bis zweistelligen Milliardenbereich eingeordnet. Für 2023 wurden rund 24 Mrd. US-Dollar für „Leistungsgeräte“ geschätzt. Analysten gehen von rund 35,7 Mrd. US-Dollar bis 2029 aus.
Literatur
Einzelnachweise
Kategorie:Leistungselektronik Kategorie:Transistor