Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) war der Verkehrssektor im Jahr 2022 für 22 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Um ein Netto-Null-Klimaziel zu erreichen, muss der öffentliche Verkehr von Fahrzeugen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden, auf umweltfreundliche Verkehrsmittel umsteigen, zum Beispiel auf. elektrifizierte Züge, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden.
Die Treibhausgasemissionen bei der Bahn betragen etwa ein Fünftel der Emissionen im Vergleich zu Flugreisen – ein Anteil, der sich bei elektrifizierten Zügen, die mit erneuerbaren Energien betrieben werden, noch weiter senken lässt. Der Ausbau und die Elektrifizierung der Schieneninfrastruktur sind daher unerlässlich, um die CO2-Emissionen zu reduzieren und die Klimaziele zu erreichen.
Im Gegensatz zu Elektroautos sind Elektroloks schon seit über hundert Jahren weitverbreitet. Dennoch ist die Elektrifizierung des Schienennetzes bei Weitem noch nicht abgeschlossen. Ein weltweiter Vergleich des Elektrifizierungsgrads der Bahn zeigt erhebliche Unterschiede. Spitzenreiter ist Indien mit einem Elektrifizierungsgrad von etwa 85 Prozent, gefolgt von Japan mit etwa 80 Prozent elektrifizierter Strecken. China, das über das weltweit größte Hochgeschwindigkeits-Bahnnetz verfügt, holt mit einer Elektrifizierungsrate von etwa 70 Prozent auf. In Europa sind etwa 60 Prozent der Bahnstrecken elektrifiziert. In Amerika hingegen ist die Mehrheit der Züge noch immer mit Dieselantrieb unterwegs.
Hybridantrieb
Um ein Netto-Null-Szenario zu erreichen, müssen Dieselzüge elektrifiziert werden. Dazu können die Züge über Oberleitungen oder sogenannte Dritte-Schiene-Systeme elektrifiziert werden. Wo die Elektrifizierung von Bahnstrecken nicht sinnvoll ist, werden Züge mit Hybridantrieb benötigt. Dabei handelt es sich um Züge, die auf nicht elektrifizierten Streckenabschnitten mit Bordbatterien oder Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben werden können.
Im Mittelpunkt der Umstellung auf einen umweltfreundlichen Zugverkehr stehen energieeffiziente Leistungshalbleiter, da sie zu Energieeinsparungen in verschiedenen Teilen des Zuges beitragen, zum Beispiel:
Energiewandlung von der Oberleitung zum Motor, das heißt im Leitungsumrichter zwischen Oberleitung/Fahrleitung und Zwischenkreiskondensator sowie im Motorumrichter zwischen Zwischenkreiskondensator und Zugmotor
Leistungsübertragung von der Batterie oder der Brennstoffzelle zum Motor, das heißt im DC/DC-Wandler zwischen der Batterie oder der Brennstoffzelle und dem Zwischenkreiskondensator und im Antriebswechselrichter zwischen dem Zwischenkreiskondensator und dem Zugmotor
Stromversorgung von Nebenverbrauchern wie zum Beispiel Klimaanlage, Lüftung und Beleuchtung
Die Energieeffizienz steht zwar häufig im Vordergrund, die Züge müssen aber auch unter extremen Bedingungen mit anspruchsvollen Einsatzprofilen über eine Lebensdauer von 35 Jahren oder mehr betrieben werden können. Raues Klima mit Temperaturen um den Gefrierpunkt, Hitze und Feuchtigkeit sowie die häufigen Beschleunigungs- und Bremsvorgänge können zu thermomechanischen Belastungen und Alterungserscheinungen führen. Daher müssen Leistungshalbleiter nicht nur energieeffizient sein und eine hohe Leistungsdichte bieten, sondern auch eine hohe Qualität und Zuverlässigkeit aufweisen.
SiC-Power für die Schiene
In diesem Umfeld hat Infineon zwei Siliziumkarbid (SiC)-Module mit 3,3 kV Nennspannung vorgestellt, die hohe Leistungen (circa 1,5 MW) für Anwendungen mit anspruchsvollen Einsatzprofilen, wie zum Beispiel Schienenfahrzeuge, bereitstellen können. Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter haben im Vergleich zu Silizium-Leistungshalbleitern deutlich geringere Leistungsverluste und ermöglichen so energieeffiziente Traktionsumrichter. In einem von Siemens Mobility und den Münchner Verkehrsbetrieben organisierten Feldtest haben die XHP 2 CoolSiC-Leistungsmodule im Vergleich zu Siliziummodulen eine um 10 Prozent höhere Energieeffizienz erzielt. Die Siliziumkarbid-Leistungsmodule bieten viel Leistung auf kleinem Raum und ermöglichen so kompaktere Leistungswandler.
Vergleicht man die Leistung des 2-stufigen, 3-phasigen Motorumrichters auf Basis der 3,3 kV IGBT-IHV-Lösung (zwei FZ2400R33H34 parallel) mit der Leistung des 2-stufigen, 3-phasigen Motorumrichters auf Basis der neuen 3,3 kV SiC XHP 2 Module (zwei FF2000UXTR33T2M1 parallel), so zeigt sich, dass die SiC-basierte Lösung im Vergleich zur IGBT-Lösung 50 Prozent geringere Verluste aufweist, was zu 50 Prozent mehr Ausgangsstrom bei gleicher Schaltfrequenz (1,5 kHz) oder dem gleichen Ausgangsstrom bei einer viermal höheren Schaltfrequenz (6 kHz statt 1,5 kHz) führt. Da die Leistungswandler mit hohen Schaltfrequenzen arbeiten können, ermöglichen Siliziumkarbid-Leistungsmodule außerdem eine Verringerung der Größe und des Gewichts der verschiedenen großen magnetischen Komponenten im System.
Energieeffizienz und Gewichtsoptimierung sind für Hybridzüge von entscheidender Bedeutung. Beide Aspekte tragen dazu bei, die Reichweite dieser Züge im Batterie- oder Brennstoffzellenbetrieb zu erhöhen. Falls die oberleitungsfreie Reichweite des Zuges nicht vergrößert werden muss, können die verbesserte Energieeffizienz und die Gewichtsreduzierung genutzt werden, um die Größe der Batterie zu verringern und damit die Kosten zu senken. Das ist besonders wichtig, da die Batterien nach wie vor die Hauptkostenfaktoren für solche Züge sind. Nicht zuletzt tragen Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter zu leiseren Zügen bei. Zum einen benötigen die verlustarmen und energieeffizienten Siliziumkarbid-Halbleiter weniger Kühlung, was vereinfachte Kühlsysteme ermöglicht (passive Luftkühlung statt forcierter Luftkühlung). Das bedeutet, dass die Lüfter entfallen können und die Kühlung leiser wird. Andererseits kann durch den Betrieb von Traktionsumrichtern mit höheren Schaltfrequenzen das vom Zugmotor ausgehende hörbare Geräusch reduziert werden.
Verlängerte Lebenszeit
Neben der Leistungsdichte, der Energieeffizienz und der Gewichtsoptimierung erfordern bestimmte Anwendungen wie der Schienenverkehr auch eine hohe Zyklenfestigkeit der Leistungsmodule. Betrachten wir das am Beispiel eines Regionalzugs. Während seiner Lebensdauer von etwa 30 Jahren wird ein solcher Zug etwa 900.000 Starts und Stopps durchführen. Jedes dieser Ereignisse ist mit einem Temperatur- und Leistungszyklus verbunden, der thermomechanische Spannungen auf den Verbindungsschichten im Leistungsmodul verursacht, beispielsweise an den Bonddrähten des Chips oder an der Die-Attach-Schicht direkt unterhalb des Chips. Diese thermomechanische Belastung führt zur Alterung und verringert die Lebensdauer der Leistungsmodule in der Anwendung.
Die XHP-2-CoolSiC-MOSFET-Lösung ist einzigartig, weil sie Hochleistungs-Siliziumkarbid mit der .XT-Verbindungstechnologie kombiniert. Die .XT-Technologie zielt genau auf die Schichten ab, die bei solchen Zyklen am stärksten belastet werden, und macht sie robuster und zuverlässiger. Dadurch wird die Zyklenfestigkeit erhöht und die Lebensdauer des Produkts in der Anwendung verlängert. Um die Leistungsfähigkeit von .XT zu verdeutlichen, wurde eine Lebensdauersimulation anhand des exemplarischen Einsatzprofils eines Leitungswandlers in einem regionalen Hybridzug durchgeführt. Dabei wurde SiC mit Standardverbindungstechnik (Al-Bonddrähte, Al-Frontmetallisierung des Chips, gelöteter Chip auf einem Substrat, Systemlot) und SiC mit .XT (Cu-Bonddrähte, Cu-Frontmetallisierung des Chips, gesinterter Chip auf einem Substrat, Hi-Rel-Systemlot) verglichen. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass .XT die Lebensdauer des Produkts von circa 4 Jahren im Falle von SiC mit Standardverbindungstechnik auf 40 Jahre erhöht. Das zeigt, dass .XT entscheidend ist, um die volle Ausnutzung von Siliziumkarbid bei höheren Übergangstemperaturen in anspruchsvollen Anwendungen wie bei der Bahntechnik zu ermöglichen.
Ausblick
Die Zukunft des Zugverkehrs ist elektrisch. Hochleistungstechnologien wie die XHP 2 CoolSiC MOSFET mit .XT-Verbindungstechnologie von Infineon bahnen den Weg dorthin. Diese Technologien ermöglichen energieeffiziente, kompakte und leise Systeme mit langer Lebensdauer und bringen die Dekarbonisierung des Schienenverkehrs auf den richtigen Weg.
