Verbesserung der Leistung von EV-n durch SiC-Schaltungen
Erfahren Sie, warum SiC-Leistungselektronik für die Leistungssteigerung von Elektrofahrzeugen unerlässlich ist.
30. Januar 2023,Coherent
Regierungen weltweit setzen sich aktiv für die Verbreitung der Elektrofahrzeugtechnologie (EV) ein, doch wird diese von den Verbrauchern nicht unbedingt positiv aufgenommen. Die beiden Hauptfaktoren, die die Verbreitung von Elektrofahrzeugen behindern, sind die Reichweite und die Kosten.
Aus konstruktiver Sicht ist die Erhöhung der Batteriespannung die wirksamste Maßnahme zur Steigerung der Reichweite von Elektrofahrzeugen. Derzeit liegt die Spannung von Batterien für Elektrofahrzeuge meist bei 400 V oder darunter. Durch eine Erhöhung auf 800 V lässt sich bei gleicher Stromstärke eine höhere Motorleistung erzielen. Zudem kann dadurch der Systemwirkungsgrad bei einer bestimmten Leistungsstufe verbessert werden.
Ein wichtiges Mittel zur Senkung der Kosten von Elektrofahrzeugen ist die Steigerung der Effizienz. Dabei spielt die Leistungsdichte der Leistungselektronik – also das Verhältnis von Leistungseffizienz zur Gesamtgröße – die entscheidende Rolle.Die Aufgabe der Leistungselektronik besteht darin, den von der Batterie gelieferten Hochspannungs-Gleichstrom in die verschiedenen Formen umzuwandeln, die im Fahrzeug benötigt werden. Dazu gehören der für den Antriebsmotor zur Radantrieb erforderliche Drehstrom (AC) sowie verschiedene DC/DC-Wandler, die für das Bordladegerät und andere Systeme benötigt werden.
Probleme mitSiC(Siliziumkarbid) aus Sicht der Entwickler
Was hindert uns daran, höhere Batteriespannungen zu nutzen und die Leistungsdichte des Systems weiter zu steigern? Ein wesentlicher Grund für dieses Problem ist, dass in den meisten Leistungselektronik-Anwendungen Leistungsschalter aus Siliziumhalbleitern zum Einsatz kommen. Silizium wird in fast allen integrierten Schaltkreisen der heutigen Elektronik verwendet, funktioniert jedoch unter hohen Spannungen und Temperaturen einfach nicht gut. Genau diese Bedingungen herrschen jedoch in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen.
Glücklicherweise gibt es für solche Anwendungen mit Siliziumkarbid (SiC) ein Halbleitermaterial, das Silizium ersetzen kann. Es verfügt über eine Reihe von elektrischen Eigenschaften, die sich ideal für die hohen Spannungen, hohen Temperaturen und hohen Leistungen in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen eignen. Die wichtigsten Eigenschaften und Vorteile von SiC in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.
Eigenschaften |
Beschreibung |
Vorteile |
 Betrieb bei hohen Temperaturen |
SiC-Leistungsbauelemente weisen im Vergleich zu herkömmlichen Schaltelementen auf Siliziumbasis eine deutlich höhere Betriebstemperatur sowie eine höhere zulässige Sperrschichttemperatur auf. Zudem verfügt SiC über eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Silizium. |
Daher sind keine Kühlkomponenten oder sperrige Kühlkörper erforderlich. Dadurch lassen sich Fahrzeuggröße, Gewicht und Kosten reduzieren. |
 Hohe Strombelastbarkeit |
SiC-Leistungsbauelemente können eine bis zu fünfmal höhere Stromdichte als Silizium-Leistungskomponenten führen. |
Dadurch lässt sich die Leistungsdichte auf dem Chip erhöhen und die Gesamtzahl der im System benötigten Komponenten reduzieren. Dies führt zu einer Verringerung der Größe, der Kosten und der Komplexität des Antriebsumrichters. |
 Hohe Schaltfrequenz |
SiC-basierte Leistungskomponenten können im Vergleich zu Siliziumschaltungen unter Betriebsbedingungen mit hohen Temperaturen, hohen Spannungen und hoher Leistung schneller schalten. |
Durch eine schnellere Schaltung lassen sich Größe und Kosten der in Traktionswechselrichtern verwendeten passiven Bauelemente wie Kondensatoren und Induktivitäten reduzieren. |
 Hohe Spannungsfestigkeit |
SiC-Schalter halten im Vergleich zu Siliziumschaltern bis zu zehnmal höheren Spannungen stand.
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Dadurch lässt sich die Anzahl der in Hochspannungssystemen erforderlichen Reihenschalter auf ein Minimum reduzieren, was zu einer Kostensenkung und einer kompakteren Bauweise des Systems führt. Zudem leistet dies einen Beitrag zur Elektrofahrzeugbranche, die den Übergang zu 800-V-Systemen vorantreibt, um die Reichweite der Fahrzeuge zu erhöhen und die Ladezeiten zu verkürzen. |
Bewältigung der weltweiten Nachfrage nach SiC
Die Vorteile von SiC-Leistungsschaltern sind den Automobilherstellern bereits bestens bekannt. Selbstverständlich arbeiten die verschiedenen Hersteller von Mikroelektronik daran, ihre Produktionskapazitäten zu erweitern, um dieser wachsenden Nachfrage gerecht zu werden.
Es ist jedoch nicht einfach, hochwertige SiC-Bauelemente herzustellen, die den Stückzahl- und Kostenzielen der sich rasch entwickelnden Elektrofahrzeugbranche gerecht werden. Tatsächlich gibt es weltweit nur eine Handvoll Anbieter, denen es nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung gelungen ist, die Technologie zur Herstellung hochwertiger, großformatiger und fehlerfreier SiC-Wafer zu perfektionieren.
Darüber hinaus wünschen sich Automobilhersteller, SiC-basierte Leistungskomponenten von vertikal integrierten Zulieferern zu beziehen.Das heißt, es handelt sich um Unternehmen, die den gesamten Prozess von der Züchtung der Kristalle, aus denen die Wafer bestehen, bis hin zur Herstellung der fertig verpackten Bauelemente aus einer Hand abdecken. Komponentenhersteller, die über eigene Materialsubstrate und Epitaxieanlagen verfügen und diese selbst verwalten, vermitteln Automobilherstellern und Tier-Zulieferern das Vertrauen, dass die Produkte zuverlässig geliefert werden und eine gleichbleibende Qualität gewährleistet ist. Außerdem kommt es im Falle von Problemen nicht mehr zu Schuldzuweisungen zwischen den Lieferanten innerhalb der Lieferkette.
Coherent ist eines der wenigen Unternehmen weltweit, das über vertikal integrierte, vollständige SiC-Fertigungskapazitäten verfügt. Wir produzierenSiC-Wafersowiealle Produktevon der Epitaxiebis hin zu Leistungsbauelementen und Modulen. Darüber hinausCoherent zeichnet sich durch eine unübertroffene Qualität bei der Herstellung von SiC-Materialien aus und ist der einzige Anbieter, der den Übergang vom derzeitigen Standard-Waferdurchmesser von 150 mm auf 200 mm realisieren kann. Der Vorteil größerer Wafer liegt in der Möglichkeit, die Kosten für die Bauelemente erheblich zu senken.
Damit Elektrofahrzeuge von den Verbrauchern angenommen werden, müssen sie denselben Komfort und dieselbe Wirtschaftlichkeit bieten wie herkömmliche Benzinfahrzeuge. Dazu sind eine Senkung der Anschaffungskosten und der Betriebskosten, eine Erhöhung der Reichweite sowie eine Verkürzung der Ladezeiten erforderlich. Die Fahrzeug-Leistungselektronik, die die einzigartigen Eigenschaften von SiC nutzt, wird eine entscheidende Rolle dabei spielen, jedes dieser Ziele zu erreichen. Darüber hinaus arbeitet Coherent an der Kostensenkung für SiC-Bauteile, sodass die Voraussetzungen für den Erfolg dieser Technologie bereits gut gegeben sind.
