Leistungshalbleiter und Technologien zur Verbesserung der globalen Energieeffizienz. Peter Irsigler Infineon Technologies Austria AG

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Annika Franke
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1 Leistungshalbleiter und Technologien zur Verbesserung der globalen Energieeffizienz Peter Irsigler Infineon Technologies Austria AG

2 Beitrag von Infineon zur Energieeffizienz Wichtige Trends Dem dramatisch steigenden weltweiten Energiebedarf stehen schwindende Ressourcen fossiler Energieträger gegenüber Strenge CO 2 -Richtlinien sollen das Erreichen von Klimazielen sichern Erneuerbare Energien werden vermehrt als nachhaltige Ressourcen genutzt Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen Unser Beitrag Unsere innovativen Halbleiterlösungen spielen eine wichtige Rolle bei der Minimierung von Leistungsverlusten und steigern die Effizienz der gesamten Energie-Versorgungskette von der Erzeugung über die Verteilung bis zur Nutzung. Unsere Produkte bilden die Grundlage für die intelligente und optimale Nutzung von Energieressourcen in der Industrie, in Privathaushalten und in Fahrzeugen. Quelle: Infineon Unternehmenspräsentation Copyright Infineon Technologies AG All rights reserved. Seite 2

3 Diskrete Leistungshalbleiter sind wesentliche Bestandteile der gesamten elektrischen Wertschöpfungskette Elektrische Wertschöpfungskette Energie Erzeugung Energie Verteilung Energie Verbraucher OPti Leistungshalbleiter Power Modules CoolMOS TRENCHSTOP SiC (thinq! ) OptiMOS Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Le

Die meiste Engergie geht bei der Erzeugung und

AC-Transport Verteilung Netzteile (AC/DC) DC

4 Die meiste Engergie geht bei der Erzeugung und Transport verloren Erzeugung elektrischer Energie Transport & Verteilung Beispiel Verbraucher (z.b.: Notebook) Steinkohlekraftwerk AC-Transport Verteilung Netzteile (AC/DC) DC Versorgung (DC/DC) Prozessor 60W ~ 220 W 130W 4W 13W 13W Memory Display etc. Thermische Verluste in der Erzeugung Verluste : 31 W Quelle: Infineon estimate

..aber durch Leistungshalbleiter können die Verluste stark

Transport Verbesserte Verteilung 90 plus Netzteil (AC/DC) DC

5 ..aber durch Leistungshalbleiter können die Verluste stark verringert werden! Erzeugung elektrischer Energie Transport & Verteilung Beispiel Verbraucher (z.b.: Notebook) Off-shore Windkratfwerke HVDC Transport Verbesserte Verteilung 90 plus Netzteil (AC/DC) DC Versorgung (DC/DC) Prozessor ~80 W 60W 8W 3W 5 W 7 W Memory Display etc. Source: Infineon estimate Verluste: ~15W (Reduktion um 50%)

6 Motortreiber zur Drehzahlregelung verbessern den Systemwirkungsgrad Applikationen Beispiel: Die Rückgewinnung der Bremsenergie spart in Deutschland 300GWh an Energie, das entspricht dem Energieverbrauch einer Kleinstadt mit Einwohnern (inklusive Heizung) Leistungshalbleiter Rückgewinnung der Bremsenergie Energieeinsparung 20-30% Optimierte Beschleunigung des Zuges Quelle: BVG (Berliner Verkehrsgesellschaft) 2004; DB Energie

7 Leistungshalbleiter helfen auch bei Weltrekorden km/h 3.3kV Module ~8MW 6.5kV Module ~4MW 3.3kV Module ~8MW IGBT Module sind eingebaut >120 Wafer, >2m 2 Siliziumfläche!

8 Infineon im Feld der Elektromobilität Trend in Richtung umweltfreundlicher Hybrid- und Elektrofahrzeuge Infineon hat Lösungen für die gesamte Infrastruktur für E - Fahrzeuge Elektroautos (hybrid) Elektrofahrräder Ladestationen Energie- und Netzwerktechnologien

9 Paradigmawechsel: IGBT's sind die zukünftigen Einspritzpumpen Heute Einspritzpumpen in Verbrennungskraftmaschinen Morgen IGBT's in elektrischen Invertern Driver of vehicle performance: Mechanical components and subsystems Assisted by semiconductors On-board electrical power: ~1 kw Driver of vehicle performance: Semiconductor components and subsystems Assisted by mechanicals On-board electrical power: ~100 kw

10 Infineon bietet eine breite Palette an Produkten für höchste Effizienz, Beispiel: Photovoltaik Invertern OptiMOS EiceDRIVER DC AC CoolMOS SiC (thinq! ) IGBT Höchste Effizienz mit SiC JFET für Solar Inverter ~ 99% 09. Februar 2011 Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Journalisten WS Wien

Leistungselektronik mit höchsten Energie-

11 Leistungselektronik mit höchsten Energie- Einsparungspotentialen Haushalts- Applikationen Einspar- Potential Kochen 30% Kühlschrank 20% Gefrierschrank 20% Waschmaschine 20% Wäschetrockner 20% Geschirrspühler 20% LCD 20% Andere Kleingeräte 15% Lighting 20% PC 10% Mit den Energiesparchips von Infineon können in Haushalten 20% Strom- & Kohlenstoffverbrauch eingespart werden: 1,08 TWh Strom 684 Mrd. t Co 2 15 March 2010 Page 11

Electronische Regeleinrichtungen helfen bei der weiteren Energieeinsparung Treibende Kräfte bei Beleuchtungsapplikationen Lampen Technologien: T5, LED, OLED

12 Electronische Regeleinrichtungen helfen bei der weiteren Energieeinsparung Treibende Kräfte bei Beleuchtungsapplikationen Lampen Technologien: T5, LED, OLED Kommunikation: DALI, ZigBee Gesetzgebung: Sicherheit/ Effizienz / Materialien Weitere Potentiale Smart Dimming Source: Osram GmbH; evg-spot 1/2007 October 2009

13 LED Lampen kombinieren Energiesparen und komfortables Licht Forschungsprojekt mit LEDON unterstützt von KLI.EN und bmvit im Rahmen des Programms Energie der Zukunft Erste Produktauskopplung einer hochwertigen LED-Lampe mit 60W Glühbirnenäquivalent wurde im April 2010 auf der Light and Building vorgestellt 22.März.2010 Page 13

14 Energiesparen mit hocheffizienten Motoren durch variable Drehzahlsteuerung Typical aircon system Old New 1~ 1~ Power converter needed Pre-charge unit IPM T R M PMBL M PFC Contro l IC Temp.monitoring current monitoring Overcurrent detection Comp. Comp. AUX supply DC/DC Gate Driver IC Bootstrap Serial interface Opto coupler Micro controller (8bit / 16bit) T T Memory T R On Off t h << 60% h > 75% Source: ZVEI, NRDC T R PWM contr. t Key-Techn. IGBT, EMCON, CoolMOS, µc, Smart control IC, CT Package 22.März.2010 Page 14

15 Einsparungspotential durch den Einsatz von Infineon Produkten im Haushalt CoolMOS PC Notebook Beleuchtung Spielekonsolen LCD/Plasma TV bis zu 52 bis zu 160 TRENCHSTOP Induktives Kochen Waschmaschine Klimaanlagen Kühlschränke OptiMOS PC Notebook Spielekonsolen Elektrische Motoren bis zu 26 bis zu 33 SIC (thinq! ) PC LCD Solaranlagen Beleuchtung 09. Februar 2011 Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Journalisten WS Wien

Der Aufbau von Leistungstechnologien IGBT HV

1-100A Spannung 400V 6,5kV 500-1000V 25V-300V

16 Der Aufbau von Leistungstechnologien IGBT HV Power MOSFET LV Power MOSFET Strukturgröße 6-12µm 6µm 0,6µm Schaltfrequenz 20-50khz khz khz Strom A 1-40A 1-100A Spannung 400V 6,5kV V 25V-300V Set date Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 16

17 Für große Ströme und Spannungen hat der IGBT kleinere Verluste Vergleich Drain Strom MOS vs IGBT im Durchlass IGBT I Drain MOS ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Vds in V

18 Technologische Entwicklung bei Leistungshalbleitern Kleinere Strukturen Kleinere Strukturen ermöglichen mehr Zellen pro Fläche Geringer Einschaltwiderstand Kleine Kapazitäten Hohe Schaltfrequenzen Mehr Strom pro Fläche kleine Gehäuse Dünnere Wafer Dünne Wafer Vermindert Verluste im Substrat Prinzipschaltbild eines Leistungstransistors Andere Halbleitermaterialien mit besseren: Eigenschaften SiC GaN Kleine Endgeräte mit geringen Verlusten Set date Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 18

Verfahrensentwicklung bei Leistungshalbleitern 300mm Projekt

Entwicklung in Villach EPT300 ENIAC Infineon ist weltweit der erste

Erfolgsfaktor 300mm Volumensproduktion in Dresden Förderung duch die EU

19 Verfahrensentwicklung bei Leistungshalbleitern 300mm Projekt Fertigungstandort Europa Herausforderungen Dünnwafertechnologie 300mm Entwicklung in Villach EPT300 ENIAC Infineon ist weltweit der erste Anbieter von Leistungstechnologien in 300mm 300mm Technologien nur in europäischen Standorten z.b: Hochtemperaturprozesse für 300mm auch in 300mm ein wesentlicher Erfolgsfaktor 300mm Volumensproduktion in Dresden Förderung duch die EU zur Sicherung des Produktionsstandortes Europa 70µm dicker 300mm Wafer Villach Dresden Set date Copyright Infineon Technologies All rights reserved. Page 19

20 Unser Ziel für die Zukunft: Energy Efficient Products POWER300 Dünnwafer & Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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Energiepreise Standortfaktor und/oder Motor für Innovation? Herbert Pairitsch, Infineon Technologies Austria AG Energiegespräche, Wien, 2.6.2014 07.11.2012 Page Page 1 Inhalt Herausforderungen der Energiewende