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Forschungsstelle
BFE
Projektnummer
SI/502290
Projekttitel
SiC-MILE – SiC Medium voltage devices

Texte zu diesem Projekt

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Kurzbeschreibung
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Publikationen / Ergebnisse
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Erfasste Texte


KategorieText
Kurzbeschreibung
(Deutsch)
Das Projekt SiC-MILE wird die ersten mittelspannungs-Siliziumkarbid-MOSFET (MV-SiC) Module in Europa für industrielle Antriebe und Traktionssysteme demonstrieren. Da Elektromotoren weltweit die am meisten Energie verbrauchenden Systeme sind, wird das Projekt einen erheblichen Einfluss auf die Energieeinsparung haben. Insbesondere in der Schweiz kann die vorgeschlagene Technologie bis zu 2,5 % des gesamten Energieverbrauchs des Landes einsparen.  Die Demonstratoren dieses Projekts umfassen 3,3kV und 6,5kV SiC-Chips und -Module, die in der Si-Halbleiterfabrik bei Hitachi ABB Power Grids (HAPG) in Lenzburg AG hergestellt werden, sowie einen 3,3kV MV 400kW Umrichterdemonstrator, der an der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) in Windisch AG gebaut wird. Diese Demonstratoren werden nicht nur die Basis für die Entwicklung von Produkten mit einem jährlichen Exportvolumen von mehreren Millionen Schweizer Franken sein, sondern auch die Technologieplattform für die Entwicklung von energieeffizienteren Systemanwendungen in der nationalen Leistungselektronik-Industrie bilden und damit der erste europäische Lieferant für die MV-SiC Technologie.
Kurzbeschreibung
(Englisch)
The project SiC-MILE will demonstrate the first MV SiC MOSFET packaging modules in Europe for industrial drives and traction systems. Because electric motors are the single most energy consuming systems of the planet, the project will significantly impact energy saving in Switzerland and worldwide. Particularly in Switzerland, the proposed technology can save up to 2.5% of the total energy consumed in the country.  The demonstrators of this project comprises 3.3 and 6.5 kV SiC chips and modules fabricated in the Si semiconductor fab at Hitachi ABB power grids (HAPG) in Lenzburg AG as well as a 3.3 kV MV 400 kW converter demonstrator built at the Fachhochschule Nordwestschweiz in the engineering school in Windisch AG. These demonstrators will not only be the basis for the development of products targeting several millions of Swiss francs in annual exportations, but also be the technology platform enabler for the development of more energy efficient system applications in the national power electronics industry, thus becoming the first European supplier for the MV SiC power electronics industry.
Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)

Die Entwicklung neuer Technologien zur Reduzierung weltweiter Energieverluste ist heute eines der Hauptziele. Eine ausgezeichnete Strategie, um ein solches Ziel zu erreichen, besteht darin, auf Technologien zu zielen, die in elektronischen Hochleistungswandlern verwendet werden, da ein erheblicher Teil des globalen Energieverbrauchs mit diesen Systemen zusammenhängt. Mittelspannungs-Stromrichter weisen solche Eigenschaften auf, die zur Steuerung von Motoren verwendete Mittelspannungsantriebe haben einen enormen weltweiten Einfluss, da etwa 60 % des weltweiten Energieverbrauchs von Motoren stammen. Siliziumkarbid (SiC) ist ein Schlüsselmaterial, das im Kern von Energiesystemen (z. B. MV-Antrieben) verwendet wird und das Potenzial hat, die globalen Energieverluste stark zu reduzieren. Der SiC-Markt erreichte 2019 etwa 500 Millionen US-Dollar, wobei bis 2025 ein Umsatz von 2,5 Milliarden US-Dollar prognostiziert wird. Obwohl EV-Technologien einen erheblichen Teil des Wachstums im LV-Bereich ausmachen, wird sich die MV-SiC-Technologie in einer Reihe von Anwendungen erheblich weiterentwickeln. Diese Technologie hat das Potenzial, den Energieverbrauch in der Schweiz und weltweit stark zu senken, indem Energieverluste für industrielle Antriebsanwendungen um bis zu 540 TWh reduziert werden. In der Schweiz werden Energieeinsparungen für industrielle Antriebsanwendungen erwartet, die 2,6 % des jährlichen Landesverbrauchs entsprechen. Zudem sollen bei einer Prognose von 25 Jahren Produktlebensdauer rund 6,8 Milliarden Franken eingespart werden. Das SiC-MILE-Projekt zielt darauf ab, eine Technologie zu etablieren, die die zukünftige Entwicklung von SiC-MOSFET-Produkten für Mittelspannung (MV) ermöglicht, wobei der Schwerpunkt auf den Spannungsklassen 3,3 und 6,5 kV liegt. Es werden Leistungsmodule entwickelt, die auf MS-Hochleistungsanwendungen wie Bahnstromrichter und Industrieantriebe abzielen. Es wird erwartet, dass eine solche Technologie die Konstruktion von Leistungswandlern mit bemerkenswerten Energieeinsparungen und erheblichen Gewinnen hinsichtlich Kompaktheit und Gewicht ermöglichen wird. Das Design der 3,3-kV-SiC-Chips sowie das Packaging wurden in diesem Bericht detailliert beschrieben. Darüber hinaus wurde der Bau eines dedizierten Konverterprüfstands entwickelt, um die Verluste der Si-Leistungsmodule im realen Konverterbetrieb mit hochgenauen thermischen und elektrischen Methoden zu charakterisieren.

1) Simulationen, Prozess und Integration für die Entwicklung von 3,3kV-SiC-Chips, mit einer erfolgreichen Demonstration.

2) EM-Design und Bonding-Prozesse für SiC-basierte LinPak-Gehäuse mit reduzierten Streuinduktivitäten.

3) Demonstration eines Si-Linpak-Konverters einschließlich thermischer und elektrischer Prüfstände zur Charakterisierung.

Das Projekt liegt im Zeitplan und es sind keine Verzögerungen zu erwarten. Im nächsten Schritt werden LinPak-Module aus SiC mit 3,3 und 6,5 kV zusammengebaut und in den jeweiligen Umrichterdemonstratoren getestet. In der Zwischenzeit werden Testtechniken für die Charakterisierung des Systems entwickelt und getestet, einschließlich Methoden, die durch FEM-Simulationen unterstützt werden
Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)

Developing new technologies to reduce worldwide energy losses is one of the main objectives nowadays. An excellent strategy to achieve such a goal is to target technologies used in high-power electronic converters since a significant part of global energy consumption is related to these systems. Medium voltage power converters present such characteristics, which medium voltage drives used to control motors present a tremendous worldwide impact, with around 60% of global energy consumption coming from motors. Silicon carbide (SiC) is a key material used in the core of power systems (such as MV drives) with the potential to reduce global energy losses strongly. The SiC market reached about 500M US$ in 2019, with the forecast to reach 2.5B US$ by 2025. Although EV technologies push a significant part of the growth at the LV range, MV SiC technology will significantly develop in a series of applications. This technology has the potential to strongly reduce energy consumption in Switzerland and world-wide by reducing energy losses by up to 540 TWh for industrial drive applications. In Switzerland, it is expected energy savings for industrial drive applications that correspond to 2.6% of the annual country consumption. Additionally, considering a 25 years product lifespan prediction, around 6.8 billion Swiss francs are expected to be saved. The SiC-MILE project aims to establish a technology to enable the future development of medium voltage (MV) SiC MOSFET products, focusing on the 3.3 and the 6.5 kV voltage classes. Power modules will be developed targeting MV high-power applications, such as railway traction converters and industrial drives. It is expected that such technology will enable the design of power converters with remarkable energy savings and significant gains regarding compactness and weight. The design of the 3.3 kV SiC chips, as well as the packaging, have been detailed in this report. Furthermore, the construction of a dedicated converter test bench to characterize the Si power modules losses under real converter operations with highly accurate thermal and electrical methods has been developed. In the first year of the project, SiC-MILE was able to achieve the following results, which are in accordance to the proposed deliverables:

1) Simulations, process and integration for the development of 3.3kV SiC chips, with a successful demonstration.

2) EM design and bonding processes for SiC based LinPak packages, featuring reduced stray inductances.

3) Demonstrator of Si Linpak converter including thermal and electrical based test benches for characterization.

The project is on time and delays are not expected. On the next step, LinPak modules featuring SiC with 3.3 and 6.5 kV will be assembled and tested in its respective converter demonstrators. Meanwhile, testing techniques for the characterization of the system are being developed and tested, including methods supported by FEM simulations.

Zugehörige Dokumente