SiC-Leistungselektronikträgt zur Verbesserung von Elektrofahrzeugen bei
Erfahren Sie, warum SiC-Leistungselektronik für die Leistungssteigerung von Elektrofahrzeugen erforderlich ist.
30. Januar 2023, Autor:Coherent
Obwohl viele Regierungen weltweit die Technologie für Elektrofahrzeuge (EV) aktiv fördern, ist die Begeisterung der Verbraucher dafür eher gering. Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen in der Öffentlichkeit wird von zwei Hauptfaktoren beeinflusst: der Reichweite und den Kosten.
Aus Sicht der Konstruktion von Elektrofahrzeugen ist die Erhöhung der Batteriespannung der effektivste Weg, um die Reichweite zu verbessern. Derzeit liegt die Ausgangsspannung der meisten Elektrofahrzeugbatterien bei 400 V oder darunter. Würde man diese Spannung auf 800 V erhöhen, könnte bei gleichbleibender Stromstärke eine höhere Antriebsleistung erzielt werden. Außerdem lässt sich dadurch der Systemwirkungsgrad bei gleicher Leistungsabgabe steigern.
Ein entscheidendes Mittel zur Senkung der Kosten für Elektrofahrzeuge ist die Steigerung der Effizienz der Antriebselektronik, wobei die Erhöhung der Leistungsdichte (das Verhältnis von Leistungseffizienz zu Gesamtgröße) von größter Bedeutung ist. Die Aufgabe der Antriebselektronik besteht darin, den von der Batterie gelieferten Hochspannungs-Gleichstrom in die verschiedenen anderen Formen umzuwandeln, die das Fahrzeug benötigt. Dazu gehören der für den Antriebsmotor (der die Räder antreibt) erforderliche Drehstrom (AC) sowie verschiedene Gleichstrom-Gleichstrom-Umwandlungen, die für das Bordladegerät und andere Systeme benötigt werden.
Fragen von Entwicklern zuSiC (Siliziumkarbid)
Was schränkt den Einsatz höherer Batteriespannungen ein und verhindert eine weitere Steigerung der Systemleistungsdichte? Dies liegt vor allem daran, dass in den meisten Leistungselektronikgeräten Leistungsschalter aus Silizium verwendet werden. In fast allen elektronischen Geräten, die wir heute besitzen, kommen in den integrierten Schaltkreisen Siliziumchips zum Einsatz, doch Silizium funktioniert unter Hochspannung und hohen Temperaturen schlichtweg nicht. Genau das sind jedoch die Betriebsbedingungen in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen.
Glücklicherweise gibt es für diese Art von Anwendungen ein Halbleitermaterial, das Silizium ersetzen kann: Siliziumkarbid (SiC). Es verfügt über eine Reihe besonderer elektrischer Eigenschaften und eignet sich daher hervorragend für den Einsatz unter den hohen Spannungs-, Temperatur- und Leistungsbedingungen in der Antriebselektronik von Elektrofahrzeugen. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Eigenschaften und Vorteile von SiC für die Antriebselektronik von Elektrofahrzeugen zusammen.
Eigenschaften |
Beschreibung |
Vorteile |
 Betrieb bei hohen Temperaturen |
Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumschaltern zeichnen sich SiC-Leistungsbauelemente durch höhere Betriebstemperaturen und eine höhere zulässige Sperrschichttemperatur aus. Auch die Wärmeleitfähigkeit von SiC ist deutlich besser als die von Silizium. |
Daher sind keine Kühlkomponenten und sperrigen Kühlkörper mehr erforderlich. Auf diese Weise lassen sich Fahrzeuggröße, Gewicht und Kosten senken. |
 Hohe Strombelastbarkeit |
SiC-Leistungsbauelemente können eine bis zu fünfmal höhere Stromdichte bewältigen als Leistungsbauelemente aus Silizium. |
Dadurch lässt sich die Leistungsdichte innerhalb des Chips erhöhen und zudem die Gesamtzahl der im System benötigten Bauteile verringern. Folglich lassen sich Größe, Kosten und Komplexität des Traktionswechselrichters reduzieren. |
 Hohe Schaltfrequenz |
Im Vergleich zu Siliziumschaltungen weisen SiC-basierte Leistungsbauelemente unter Betriebsbedingungen mit hohen Temperaturen, hohen Spannungen und hoher Leistung eine deutlich höhere Schaltgeschwindigkeit auf. |
Schnellere Schaltgeschwindigkeiten führen zu einer Verringerung der Größe und der Kosten der in Traktionswechselrichtern verwendeten passiven Bauteile (wie Kondensatoren und Induktivitäten). |
 Hochspannungsfestigkeit |
SiC-Schalter können Spannungen standhalten, die bis zu zehnmal so hoch sind wie bei Silizium-Schaltern.
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Dadurch wird die Anzahl der in Hochspannungssystemen erforderlichen Reihenschalter erheblich reduziert, was wiederum zu einer Senkung der Systemkosten und einer Verringerung der Baugröße führt. Außerdem wird damit der Übergang der Elektrofahrzeugbranche zu 800-V-Systemen unterstützt, um die Reichweite der Fahrzeuge zu erhöhen und die Ladezeiten zu verkürzen. |
Den weltweiten Bedarf anSiC decken
Die Automobilhersteller haben die Vorteile von SiC-Leistungsschaltern bereits voll und ganz erkannt. Selbstverständlich bemühen sich auch die Hersteller von Mikroelektronik darum, ihre Produktionskapazitäten auszubauen, um dieser stetig wachsenden Nachfrage gerecht zu werden.
Es ist jedoch keine leichte Aufgabe, genügend hochwertige SiC-Bauelemente herzustellen, um die Mengen- und Kostenziele der Elektrofahrzeugbranche zu erfüllen. Tatsächlich gibt es weltweit auch nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung nur wenige Anbieter, die über die Technologie zur Herstellung hochwertiger, großformatiger und fehlerfreier SiC-Wafer verfügen.
Darüber hinaus legen Automobilhersteller großen Wert darauf, SiC-basierte Leistungsbauelemente von vertikal integrierten Zulieferern zu beziehen. Das bedeutet, dass ein einziges Unternehmen den gesamten Prozess abdecken kann – von der Züchtung des Wafermaterials bis hin zur Fertigung der fertigen, verpackten Baugruppe. Wenn der Bauteilhersteller die Eigentumsrechte und die Kontrolle über das Ausgangsmaterial und die Epitaxie besitzt, können Automobilhersteller und Zulieferer aller Ebenen darauf vertrauen, dass die Produkte zuverlässig geliefert werden und eine gleichbleibende Qualität aufweisen. Selbst wenn Probleme auftreten, kommt es nicht zu gegenseitigen Schuldzuweisungen zwischen den einzelnen Lieferanten in der Lieferkette.
Coherent das über eine vollständige, vertikal integrierte SiC-Produktionskapazität verfügt. Wir produzieren SiC-Wafer und Epitaxie bis hin zuLeistungsbauelementen und Modulen. Darüber hinaus zeichnen sich unsere SiC-Materialien durch hervorragende Qualität aus, was Coherent Anbieter Coherent , der den Übergang vom derzeitigen Standard-Waferdurchmesser von 150 mm auf 200 mm erfolgreich bewältigen kann. Der Vorteil größerer Wafer liegt in einer deutlichen Senkung der Baukosten.
Um die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bei den Verbrauchern zu steigern, müssen diese denselben Komfort und dieselbe Wirtschaftlichkeit bieten wie herkömmliche Benzinfahrzeuge. Dies erfordert eine Senkung der Anschaffungs- und Betriebskosten sowie eine Erhöhung der Reichweite und eine Verkürzung der Ladezeiten. Bei der Verwirklichung dieser Ziele wird die auf den einzigartigen Eigenschaften von SiC basierende Antriebselektronik in jeder Hinsicht eine wichtige Rolle spielen.Coherent große Anstrengungen unternommen,Coherent die Kosten für SiC-Bauteile zu senken, und ist damit in dieser Technologie erfolgreich.
