SiC -SCHALTKREISE VERBESSERN ELEKTROFAHRZEUGE
Entdecken Sie, warum SiC-Leistungselektronik zur Verbesserung der Leistung von Elektrofahrzeugen gefragt ist.
30. Januar 2023 von Coherent
Während viele Regierungen weltweit aktiv Technologien für Elektrofahrzeuge fördern, sind die Verbraucher nicht überall begeistert. Zwei der Hauptfaktoren, die die öffentliche Akzeptanz von Elektrofahrzeugen einschränken, sind die Reichweite und die Kosten.
Was die Konstruktion von Elektrofahrzeugen betrifft, so ist die effektivste Methode zur Verbesserung der Reichweite die Erhöhung der Batteriespannung. Derzeit stellen die meisten Batterien für Elektrofahrzeuge 400 V oder weniger bereit. Die Erhöhung auf 800 V liefert bei gleicher Stromstärke mehr Fahrzeugleistung. Außerdem wird der Wirkungsgrad des Systems bei einer bestimmten Leistung erhöht.
Ein Schlüsselinstrument zum Senken der Kosten von Elektrofahrzeugen ist das Verbessern der Effizienz der Leistungselektronik – und hierbei vor allem der Leistungsdichte (dem Verhältnis von Energieeffizienz zu Gesamtgröße). Die Leistungselektronik wandelt den von der Batterie gelieferten Hochvolt-Gleichstrom in die verschiedenen anderen im Fahrzeug benötigten Formen um. Dazu gehören der Dreiphasen-Wechselstrom (AC), der für den Traktionsmotor (der die Räder antreibt) benötigt wird, und die verschiedenen DC/DC-Umwandlungen, die für das Bordladegerät und andere Systeme erforderlich sind.
Entwickler setzen bei der Problemlösung auf SiC (Siliziumkarbid)
Was schränkt das Bereitstellen höherer Batteriespannungen ein und verhindert weitere Verbesserungen der Systemleistungsdichte? Ein großer Teil des Problems besteht darin, dass die meisten elektronischen Geräte Leistungsschalter aus Siliziumhalbleitern verwenden. Silizium – das meistens für integrierte Schaltkreise verwendet wird – funktioniert bei hohen Spannungen und hohen Temperaturen einfach nicht gut genug. Und genau diese Bedingungen sind bei der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen gegeben.
Zum Glück gibt es für diesen Anwendungsbereich ein alternatives Halbleitermaterial zu Silizium, das Siliziumkarbid (SiC). Seine elektronischen Eigenschaften sind für den Einsatz in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen bei hohen Spannungen, Temperaturen und Leistungsaufkommen ideal. Die wichtigsten Eigenschaften und Vorteile von SiC für die Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
Eigenschaft |
Beschreibung |
Vorteil |
 Hochtemperaturbetrieb |
SiC-Leistungsbauelemente weisen wesentlich höhere Betriebstemperaturen und höhere zulässige Sperrschichttemperaturen auf als herkömmliche siliziumbasierte Schalter. Auch ist die Wärmeleitfähigkeit von SiC wesentlich besser als die von Silizium. |
Damit können Kühlkomponenten und sperrige Kühlkörpermaterialien entfallen. Dies verringert die Fahrzeuggröße, das Gewicht und die Kosten. |
 Hohe Strombelastbarkeit |
SiC-Leistungsbauelemente können bis zu fünfmal höhere Stromdichten führen als Silizium-Leistungsbauelemente. |
Dies ermöglicht eine höhere Leistungsdichte in Chips und verringert auch die Gesamtzahl der in Systemen erforderlichen Komponenten. Dies reduziert die Größe, Komplexität und Kosten von Traktionsumrichtern. |
 Hohe Schaltfrequenzen |
SiC-basierte Leistungskomponenten schalten unter Betriebsbedingungen mit hoher Temperatur, Spannung und Leistung viel schneller als Siliziumschaltkreise. |
Schnelleres Schalten reduziert die Größe und Kosten der in Traktionsumrichtern verwendeten passiven Komponenten, wie etwa Kondensatoren und Induktoren. |
 Hochspannungskapazität |
SiC-Schalter können bis zu zehnmal höhere Spannungen aushalten als ihre Gegenstücke auf Silizium-Basis.
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Dadurch wird die Anzahl der in Hochspannungssystemen erforderlichen Reihenschalter minimiert, was wiederum die Größe und die Kosten des Systems senkt. Es unterstützt auch die Umstellung der Elektrofahrzeugbranche auf 800-V-Systeme mit größerer Reichweite und kürzeren Ladezeiten. |
Deckung der weltweiten Nachfrage nach SiC
Automobilhersteller kennen bereits die Vorteile von SiC-Leistungsschaltern. Natürlich arbeiten die Hersteller von Mikroelektronik daran, ihre Produktionskapazitäten zu erweitern, um dieser sich entwickelnden Nachfrage gerecht zu werden.
Es ist jedoch nicht einfach, hochwertige SiC-Bauelemente herzustellen, die den Zielvorgaben der Elektrofahrzeugbranche zu Volumen und Kosten entsprechen. In der Tat gibt es nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung weltweit nur eine Handvoll Anbieter, die die Kunst beherrschen, hochwertige, große und fehlerfreie SiC-Wafer herzustellen.
Darüber hinaus möchten Fahrzeughersteller SiC-basierte Leistungskomponenten idealerweise von einem vertikal integrierten Anbieter beziehen. Das heißt, ein Unternehmen, das von der Herstellung des Wafermaterials bis hin zur Fertigung fertiger, verpackter Geräte alles erledigt. Ein Komponentenhersteller mit Eigentum und Kontrolle über das Materialsubstrat und die Epitaxie gibt dem Fahrzeughersteller oder Zulieferer die Gewissheit, dass das Produkt zuverlässig geliefert wird die Qualität gleichbleibend hoch ist. Und falls zwischen den Anbietern innerhalb der Lieferkette ein Problem auftritt, ist die Verantwortungslage klar und eindeutig.
Coherent ist weltweit eines der wenigen Unternehmen mit vollständiger, vertikal integrierter SiC-Fertigungskapazität. Wir produzieren von SiC-Wafern und ihrer Epitaxie bis hin zu Elementen und Modulen des Leistungsbaus in eigener Regie. Darüber hinaus macht die unübertroffene Qualität, in der wir SiC-Material herstellen, Coherent praktisch zum einzigen Anbieter, der in der Lage ist, erfolgreich vom aktuellen Standarddurchmesser für Wafer von 150 mm auf 200 mm umzustellen. Der Vorteil größerer Wafer besteht darin, dass sie die Gerätekosten erheblich senken.
Die Verbraucherakzeptanz für Elektrofahrzeuge erfordert, dass sie das gleiche Maß an Komfort und Wirtschaftlichkeit bieten wie herkömmliche, kraftstoffbetriebene Fahrzeuge. Dies erfordert Senkungen des Anschaffungspreises und der Betriebskosten sowie erhöhte Reichweiten und verkürzte Ladezeiten. Leistungselektronik für Fahrzeuge, die auf den einzigartigen Eigenschaften von SiC basiert, wird eine wichtige Rolle bei der Erreichung all dieser Ziele spielen. Und die Bemühungen von Coherent, die Kosten für SiC-Bauelemente zu senken, haben uns auf einen guten Weg zum Erfolg mit dieser Technologie gebracht.
