Neue und verbesserte einkristalline Materialien für Leistungsbauelemente und Leuchtdioden bieten ein enormes Potential der Energieeinsparung. Um dies zu realisieren, ist es erforderlich, die Herstellung der WBG-Kristalle kostengünstiger zu machen. Für die Herstellung der WBG-Kristalle sind hohe Temperaturen und lange Prozesszeiten nötig. Die Reduktion des Energieverbrauchs je verwertbarem WBG Substrat ist ein wesentlicher Hebel für die Kostenreduktion. Verschiedene Materialdefekte (Kristallfehler) sowie weitere verfahrensbedingte Ursachen limitieren die Ausbeute an verwertbarem Kristallmaterial und begrenzen insbesondere verwertbare Kristalldurchmesser und -längen. Als Gesamtziel des Vorhabens soll ein besseres Verhältnis zwischen eingesetzter Energiemenge je Prozess und der Ausbeute an verwertbarem und qualitativ hochwertigem Kristallmaterial hergestellt werden. Dies bedeutet die Herstellung von längeren WBG-Kristallen, bzw. Kristallen mit größerem Durchmesser oder parallel mehr WBG-Kristallen pro Prozess. Gleichzeitig, im Falle des GaN, müssen für die Herstellung alternative Keimsubstrate entwickelt und eingesetzt werden, um diese Ziele zu erreichen. Für die beiden WBG-Materialien werden technologische Wege erarbeitet, die nutzbare Kristallausbeute zu erhöhen, möglichst lange Kristalle herzustellen, den Kristalldurchmesser zu vergrößern oder für GaN einen Mehrfach-Prozess zu entwickeln sowie die Keimherstellung zu verbessern. Die Projektleitung des Gesamtprojekts obliegt dem IISB. Der Arbeitsplan ist in drei Arbeitspakete eingeteilt: AP1 Galliumnitrid AP2 Siliziumkarbid AP3 Charakterisierung Es sind in AP1,2 je 4 Meilensteine unterlegt. Die ausführliche Darstellung findet sich in der Vorhabensbeschreibung.
Im Projekt KOOPERATION werden zwei Hauptziele verfolgt. Zum einen soll auf einem Siliziumcarbid(SiC)-Leistungsmodul ein sogenannter RC-Snubber (SiRC) zum Einsatz kommen, der die parasitären Effekte dämpft, die bei Schaltvorgängen mit SiC-Komponenten auftreten. Wegen dieser Effekte, und den daraus resultierenden Schwingungen, müssen SiC-Transistoren langsamer geschaltet werden, als eigentlich möglich wäre. Durch den RC-Snubber werden die störenden Schwingungen gedämpft und die Transistoren können mit höheren Schaltgeschwindigkeiten betrieben werden. Dies reduziert die Schaltverluste und steigert die Effizienz der SiC-Komponente. Zum anderen wird ein Dual-Use-Ansatz verfolgt, indem der im Antriebsstrang verbaute Gleichstromwandler auch als Ladegerät fungiert. Ermöglicht werden soll dies durch eine Topologieumschaltung, die nicht nur sehr hohe Leistungen für das Laden mit Wechsel- oder Gleichstrom zulässt, sondern auch die Möglichkeit zur deutlichen Erhöhung der Ladeleistung bietet. Die Integration von Baugruppen und deren gesteigerte Effizienz erlaubt zudem eine deutliche Reduzierung der Baugröße.
Wide-band-gap (WBG) Leistungs-Halbleiter bieten durch geringe Durchlass- und Schaltverluste, die damit verbundene Möglichkeit höherer Taktfrequenzen und eine potenziell höhere Arbeits-Temperatur große Perspektiven bezüglich einer Volumens- und Massereduktion von Systemen mit leistungselektronischen Komponenten. Im Rahmen des Verbund-Projektes SiCuM sollen diese Potentiale am Beispiel von SiC-basierten Leistungshalbleitermodulen sowie eines darauf basierenden Umrichters für den Einsatz in der Traktion für Straßenbahnen untersucht werden. In dieser Anwendung können die Vorzüge von WBG-Halbleitern zur Gewichts- und Volumen-Reduktion der Antriebskomponenten und zu neuen Freiheitsgraden für die Fahrzeugaufbau führen. Weitere positive Effekte können in Bezug auf durch höhere Taktung verringerte Stromoberwellen erreicht werden, wodurch sich Pendelmomente in den Fahrmotoren und damit auch die Geräusch-Emission verringern lassen. Ein rechnergestützter Entwurf ist bei der Entwicklung leistungselektronischer Systeme unabdingbar und seit vielen Jahren Stand der Technik. Mit der Einführung von WBG-Leistungshalbleitern gilt es, vorhandene Methoden und Beschreibungs-Ansätze an die speziellen Eigenschaften der neuen Bauelemente anzupassen und ggf. zu erweitern. Das hier beschriebene Teilvorhaben innerhalb von SiCuM wird sich dieser Aufgabe widmen, wobei ein wichtiges Ziel eine weitestgehende Automatisierung der Entwurfs-Arbeiten ist.
Neue und verbesserte einkristalline Materialien für Leistungsbauelemente und Leuchtdioden bieten ein enormes Potential der Energieeinsparung. Um dies zu realisieren, ist es erforderlich, die Herstellung der WBG-Kristalle kostengünstiger zu machen. Für die Herstellung der WBG-Kristalle sind hohe Temperaturen und lange Prozesszeiten nötig. Die Reduktion des Energieverbrauchs je verwertbarem WBG Substrat ist ein wesentlicher Hebel für die Kostenreduktion. Verschiedene Materialdefekte (Kristallfehler) sowie weitere verfahrensbedingte Ursachen limitieren die Ausbeute an verwertbarem Kristallmaterial und begrenzen insbesondere verwertbare Kristalldurchmesser und -längen. Als Gesamtziel des Vorhabens soll ein besseres Verhältnis zwischen eingesetzter Energiemenge je Prozess und der Ausbeute an verwertbarem und qualitativ hochwertigem Kristallmaterial hergestellt werden. Dies bedeutet die Herstellung von längeren WBG-Kristallen, bzw. Kristallen mit größerem Durchmesser oder parallel mehr WBG-Kristallen pro Prozess. Gleichzeitig, im Falle des GaN, müssen für die Herstellung alternative Keimsubstrate entwickelt und eingesetzt werden, um diese Ziele zu erreichen. Für die beiden WBG-Materialien werden technologische Wege erarbeitet, die nutzbare Kristallausbeute zu erhöhen, möglichst lange Kristalle herzustellen, den Kristalldurchmesser zu vergrößern oder für GaN einen Mehrfach-Prozess zu entwickeln sowie die Keimherstellung zu verbessern. Die Projektleitung des Gesamtprojekts obliegt dem IISB. Der Arbeitsplan ist in drei Arbeitspakete eingeteilt: AP1 Galliumnitrid AP2 Siliziumkarbid AP3 Charakterisierung Es sind in AP1, 2 je 4 Meilensteine unterlegt. Die ausführliche Darstellung findet sich in der Vorhabensbeschreibung.
In diesem Verbundprojekt sollen neuartige Elektrodenmaterialien entwickelt werden, die sich durch drei wesentliche Materialeigenschaften auszeichnen: Hohe Passivierwirkung, sehr gute optische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit. Es werden Elektroden entwickelt, die auf dielektrischen Schichten basieren und mit der PERC Anlagentechnik und Prozessführung kompatibel sind. Weiterhin werden Elektroden mit verbesserter Transparenz und besserer passivierender Wirkung für a Si:H/c Si Heterokontaktsolarzellen angestrebt. Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung der benötigten Nanolaminate und deren Verifikation. Es werden drei wissenschaftliche Ansätze verfolgt. Zum einen sollen heutige dielektrische Passivierungsschichten durch Dotierung und Einführung von Laminatstrukturen weiterentwickelt werden. Im zweite Ansatz werden amorphe und mikrokristallinen Halbleitern mit hohen Bandlücken (a SiOx, a SiC und Mikro c SiOx) entwickelt. Um die Passivierungswirkung dieser Materialien weiter zu erhöhen, werden im dritten Ansatz neue Abscheideverfahren mit extrem geringer Grenzflächenschädigung für Heterokontakt-Solarzellen entwickelt. Für die drei Ansätze werden zunächst die neue Prozessanlagentechnik und die entsprechenden Prozesse entwickelt. Danach findet die Materialentwicklung und abschließende die Demonstration und Verifikation in funktionierenden Solarzellen statt.
Photovoltaikinverter nehmen nach derzeitigem Stand der Technik einen großen Bauraum ein und weisen eine hohe Masse auf. Ursächlich hierfür ist insbesondere der große Kühlkörper, der für die auf keramischen Substraten basierende Leistungselektronikeinheit erforderlich ist. Ziel ist die Entwicklung eines kleinen, leichten, effizienten Photovoltaikinverters durch neuartige Schaltungstopologien und Entwärmungskonzepte. Dazu sind die folgenden Technologien erforderlich: - Optimierte Schaltungstopologien für Leiterplattenkonzepte - Einsatz SiC- / GaN-Bauelemente - Hochtemperaturleiterplatten, Hochtemperatur-Lötstopplack Lösungsweg: 1. Systemauslegung für Leistungstopologie des Photovoltaikinverters durch den Einsatz von SiC-/GaN-Bauelemente in Leiterplattentechnik a. Erarbeitung neuer Leiterplattenkonzepte durch Schaltungsoptimierung, Auswahl SiC-/GaN-Bauelemente und Leiterplatten-Hochstromtechnologie b. Entwärmungskonzept für reduziertes Kühlkörpervolumen 2. Optimierung Leiterplattenbasismaterial und Lötstopplack hinsichtlich Spannungsfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Temperaturbeständigkeit und Ausdehnungsverhalten 3. Validierung der Systemauslegung und Materialentwicklungen sowie Nachweis der Relevanz für die Energiewende am Photovoltaikinverter Die Koordination des Vorhabens erfolgt durch den Konsortialführer Bosch sowie die Leiter der Teilprojekte. Die in TP0 definierten Anforderungen und Lastenhefte bilden die Grundlage für die anderen Teilprojekte. Die Systemauslegung für SiC-/GaN-Bauelemente auf Hochtemperatur-Leiterplatten TP1 startet gemeinsam mit der Materialentwicklung in TP2. In TP3 werden Testaufbauten zur Zuverlässigkeitsuntersuchung entwickelt, realisiert und analysiert. Aufbauend aus den Ergebnissen und Erkenntnissen aus TP1, TP2 und TP3 kann die Realisierung des Photovoltaikinverter-Demonstrators erfolgen.
Im Rahmen des Verbundvorhabens werden innovative Aufbau- und Verbindungskonzepte auf Basis von neuen, organischen Hochtemperatur-Leiterplatten-Substraten entwickelt. Mit innovativen Schaltungstopologien, neuen Bauelementen (Siliziumkarbid(SiC)- beziehungsweise Galliumnitrid(GaN)-Leistungshalbleiter) und deren Integration in die Leiterplatte sowie entsprechenden Entwärmungskonzepten werden hocheffiziente, materialsparende, kompaktere und damit kostengünstigere leistungselektronische Systeme entwickelt. Die Validierung der Systemauslegung und der hochtemperaturbeständigen Materialien werden anhand eines Demonstrators für einen Photovoltaikwechselrichter gezeigt.
Das Teilprojekts der Jenoptik Katasorb GmbH (im Weiteren als Katasorb) liegt in der Erforschung und Optimierung katalytischer Systeme von der Herstellung der Primärpartikel, der Neuentwicklung einer Technik zur Beschichtung von Mischmetalloxiden in Hinsicht auf die Porenstruktur, Temperaturbeständigkeit, Vergiftungsresistenz und der mechanischen Festigkeit. Diese Systeme sollen deswegen auf Mischmetalloxiden basieren, da diese nach dem derzeitigen Wissensstand ähnliche oder höhere Aktivitäten besitzen im Vergleich zu Edelmetallkatalysatoren. Um Mischmetalloxidkatalysatoren in großtechnischen Anlagen einsetzen zu können muss eine Fixierung der katalytisch aktiven Pulver auf einem Träger erfolgen. Als Träger werden Monolithen aus Cordierit oder SiC/Al2O3 eingesetzt. Die Wirksamkeit des Katalysators kommt dann richtig zum Tragen, wenn dieser optimal verfahrenstechnisch auf den jeweiligen Prozess angepasst wird. Dies soll auf Basis von Strömungssimulationen erfolgen. Die so generierten Daten sollen konstruktiv in einem Forschungsmuster umgesetzt und an einem Fallbeispiel bei Glatt Ingenieurtechnik in einem Teillaststrom untersucht werden. Die Schwerpunkte des Teilprojektes von Katasorb sind folgendermaßen gegliedert: AP 1 Rohstoffauswahl und Pulveraufbereitung von MMO-Materialien AP 2 Entwicklung neuartiger geträgerter Abgaskatalysatoren variierender Porencharakteristik AP 3 Charakterisierung hergestellter Abgaskatalysatoren AP 4 Erforschung des Reaktionsverhaltens ausgewählter geträgerter Abgaskatalysatoren.
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| Bund | 105 |
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| Förderprogramm | 105 |
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| offen | 105 |
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