SiC-SchaltungenverbessernElektrofahrzeuge
Erfahren Sie, warum SiC-Leistungselektronik zur Verbesserung der Leistung von Elektrofahrzeugen gefragt ist.
30. Januar 2023 von Coherent
Während viele Regierungen weltweit die Technologie für Elektrofahrzeuge (EV) aktiv fördern, sind die Verbraucher davon nicht durchweg begeistert. Zwei der Hauptfaktoren, die die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen in der Öffentlichkeit einschränken, sind die Reichweite und die Kosten.
Was die Konstruktion von Elektrofahrzeugen angeht, lässt sich die Reichweite am effektivsten durch eine Erhöhung der Batteriespannung verbessern. Derzeit liefern die meisten Batterien in Elektrofahrzeugen 400 V oder weniger. Eine Erhöhung auf 800 V sorgt bei gleicher Stromstärke für eine höhere Motorleistung. Zudem steigt dadurch der Wirkungsgrad des Systems bei gleicher Leistungsabgabe.
Ein entscheidendes Mittel zur Senkung der Kosten für Elektrofahrzeuge ist die Verbesserung der Effizienz – und vor allem der Leistungsdichte (das Verhältnis von Leistungseffizienz zu Gesamtgröße) – der Leistungselektronik. Die Aufgabe der Leistungselektronik besteht darin, den von der Batterie gelieferten Hochspannungs-Gleichstrom in die verschiedenen anderen im Fahrzeug benötigten Formen umzuwandeln. Dazu gehören der für den Antriebsmotor (der die Räder antreibt) benötigte dreiphasige Wechselstrom (AC) sowie die verschiedenen DC/DC-Umwandlungen, die für das Bordladegerät und andere Systeme erforderlich sind.
Entwickler vonSiC-Siliziumkarbid und das Problem
Was schränkt den Einsatz höherer Batteriespannungen ein und verhindert weitere Verbesserungen der Leistungsdichte des Systems? Ein wesentlicher Teil des Problems besteht darin, dass in der Leistungselektronik meist Halbleiter zum Einsatz kommen. Silizium – das in fast jedem elektronischen Gerät, das wir heute besitzen, für integrierte Schaltkreise verwendet wird – funktioniert bei hohen Spannungen und Temperaturen einfach nicht gut. Und genau diese Bedingungen herrschen in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen.
Glücklicherweise gibt es für solche Anwendungen eine Alternative zu Silizium Halbleiter , nämlich Siliziumkarbid (SiC). Es verfügt über eine Reihe elektronischer Eigenschaften, die es ideal für den Einsatz bei den hohen Spannungen, Temperaturen und Leistungen machen, wie sie in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen vorkommen. Die wichtigsten Eigenschaften und Vorteile von SiC für die Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen sind in der Tabelle zusammengefasst.
Eigenschaft |
Beschreibung |
Vorteil |
 Betrieb bei hohen Temperaturen |
SiC-Leistungsbauelemente weisen deutlich höhere Betriebstemperaturen und größere zulässige Sperrschichttemperaturen auf als herkömmliche Schaltelemente auf Siliziumbasis. SiC verfügt zudem über Wärmeleitfähigkeit wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit Silizium. |
Dadurch entfallen Kühlkomponenten und sperrige Kühlkörper. Dies führt zu einer Verringerung der Fahrzeuggröße, des Gewichts und der Kosten. |
 Hohe Strombelastbarkeit |
SiC-Leistungsbauelemente können bis zu fünfmal höhere Stromdichten führen als Silizium-Leistungsbauelemente. |
Dies ermöglicht eine höhere Leistungsdichte innerhalb eines Chips und verringert zudem die Gesamtzahl der im System benötigten Bauteile. Dadurch lassen sich Größe, Kosten und Komplexität des Fahrstromumrichters reduzieren. |
 Hohe Schaltfrequenzen |
Leistungskomponenten auf SiC-Basis können unter Betriebsbedingungen mit hohen Temperaturen, Spannungen und Leistungen wesentlich schneller schalten als Siliziumschaltungen. |
Durch schnellere Schaltvorgänge lassen sich Größe und Kosten der in Antriebswechselrichtern verwendeten passiven Bauteile wie Kondensatoren und Induktivitäten reduzieren. |
 Hohe Spannungsfestigkeit |
SiC-Schalter können bis zu zehnmal höhere Spannungen aushalten als ihre Pendants aus Silizium.
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Dadurch wird die Anzahl der in Hochspannungssystemen erforderlichen Reihenschalter minimiert, was wiederum zu einer Senkung der Systemkosten und einer Verringerung der Systemgröße führt. Zudem unterstützt dies den Übergang der Elektrofahrzeugbranche zu 800-V-Systemen, um die Reichweite der Fahrzeuge zu erhöhen und die Ladezeiten zu verkürzen. |
Den weltweiten Bedarf anSiC decken
Die Automobilhersteller sind sich der Vorteile von SiC-Leistungsschaltern bereits bewusst. Selbstverständlich arbeiten die Hersteller von Mikroelektronik daran, ihre Produktionskapazitäten zu erweitern, um dieser steigenden Nachfrage gerecht zu werden.
Es ist jedoch nicht einfach, hochwertige SiC-Bauelemente herzustellen, die den künftigen Mengen- und Kostenzielen der Elektrofahrzeugindustrie gerecht werden. Tatsächlich gibt es nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung weltweit immer noch nur eine Handvoll Anbieter, die die Herstellung hochwertiger, großformatiger und fehlerfreier SiC-Wafer beherrschen.
Darüber hinaus möchten Automobilhersteller SiC-basierte Leistungskomponenten idealerweise von einem vertikal integrierten Anbieter beziehen. Das heißt, von einem Unternehmen, das den gesamten Prozess abdeckt – vom Züchten des Wafermaterials bis hin zur Fertigung der fertigen, verpackten Bauelemente. Ein Komponentenhersteller, der Eigentum und Kontrolle über das Materialsubstrat und die Epitaxie besitzt, gibt dem Automobilhersteller oder Zulieferer die Gewissheit, dass das Produkt zuverlässig geliefert wird und eine gleichbleibende Qualität aufweist. Außerdem werden so gegenseitige Schuldzuweisungen unter den Anbietern innerhalb der Lieferkette vermieden, falls ein Problem auftritt.
Coherent eines der wenigen Unternehmen weltweit, das über eine vollständige, vertikal integrierte SiC-Fertigungskapazität verfügt. Wir produzieren SiC-Wafer und Epitaxie bis hin zu Leistungsbauelementen und Modulen. Darüber hinaus macht die unübertroffene Qualität, mit der wir SiC-Material herstellen können, Coherent zum einzigen Anbieter, der in der Lage ist, den Übergang vom derzeitigen Standard-Waferdurchmesser von 150 mm auf 200 mm erfolgreich zu bewältigen. Der Vorteil größerer Wafer besteht darin, dass sie die Kosten für Bauelemente erheblich senken können.
Damit Elektrofahrzeuge von den Verbrauchern akzeptiert werden, müssen sie denselben Komfort und dieselbe Wirtschaftlichkeit bieten wie herkömmliche, benzinbetriebene Autos. Dazu müssen der Anschaffungspreis und die Betriebskosten gesenkt, die Reichweite erhöht und die Ladezeit verkürzt werden. Fahrzeugelektronik auf Basis der einzigartigen Eigenschaften von SiC wird eine wichtige Rolle dabei spielen, jedes dieser Ziele zu erreichen. Und Coherent der Bemühungen von Coherent die Kosten für SiC-Bauteile Coherent senken, sind wir auf dem besten Weg, mit dieser Technologie Erfolg zu haben.
