Siliziumkarbidhalbleiter Mit SiC im Wechselrichter fahren Elektroautos weiter

Reichweitenangst (Range Anxiety) gilt als eines der Haupthindernisse für die Verbreitung von Elektrofahrzeugen. Also müssen die Reichweiten der Elektroautos steigen – hier können Siliziumkarbid-ICs im Traktionswechselrichter einen wesentlichen Beitrag leisten.

Die Verbreitung von Elektrofahrzeugen nimmt zu, getrieben durch Umweltbedenken beziehungsweise -vorschriften, die wachsende Nachfrage der Verbraucher und immer mehr verfügbare Modelle vieler Hersteller. Laut einer aktuellen Studie von Goldman Sachs wird der Anteil der Elektrofahrzeuge an den weltweiten Autoverkäufen im Jahr 2023 bei 10 Prozent liegen. Bis 2030 wird ein Anstieg auf 30 Prozent erwartet, und bis 2035 könnte der Anteil der Elektroautos die Hälfte der weltweiten verkauften Fahrzeuge ausmachen.

Eines der momentanen Haupthindernisse für die Einführung von Elektrofahrzeugen ist die Reichweitenangst der potenziellen Nutzer, also die Befürchtung, zwischen zwei Batterieladungen nicht die gewünschte Strecke zurücklegen zu können. Um diese Bedenken überwinden zu können, muss die Reichweite der Fahrzeuge höher werden, ohne die Kosten wesentlich zu steigern.

Dieser Beitrag beschreibt, wie sich mit Siliziumkarbid-(SiC-)MOSFETs im Traktionswechselrichter die Reichweite eines Elektrofahrzeugs um bis zu 5 Prozent steigern lässt. Außerdem wird erörtert, welche Bedenken einige Antriebshersteller veranlassen, mit der Umstellung von siliziumbasierten Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) auf SiC-Bauelemente zu warten, und welche Anstrengungen Onsemi unternommen hat, um diese Bedenken zu zerstreuen und das Vertrauen in diese ausgereifte Halbleitertechnologie mit großer Bandlücke (WBG; Wide Band-Gap) zu stärken.

Trends bei Antrieben für Elektrofahrzeuge

Der Traktions-/Hauptwechselrichter in einem Elektrofahrzeug wandelt die Gleichspannung der Batterie in exakt die Wechselspannung um, welche der elektrische Fahrmotor jeweils gerade für den Antrieb des Fahrzeugs benötigt. Zu den jüngsten Trends bei der Entwicklung von Traktionswechselrichtern (Bild 1) zählen:

• Mehr Leistung: Je höher die Ausgangsleistung des Wechselrichters ist, desto schneller kann das Fahrzeug beschleunigen und auf den Fahrer reagieren.

• Höherer Wirkungsgrad: Die vom Wechselrichter selbst verbrauchte Strommenge muss minimiert werden, um die für den Antrieb verfügbare Leistung zu erhöhen.

• Höhere Spannung: Bis vor kurzem kamen in Elektrofahrzeugen meist 400-V-Batterien zum Einsatz, aber die Automobilindustrie geht zu 800-V-Batterien über, um Strom, Kabeldicke und Gewicht zu reduzieren. Der Antriebswechselrichter in einem EV muss diese höhere Spannung bewältigen und dafür die passenden Bauelemente verwenden.

• Weniger Gewicht, geringere Baugröße: SiC hat im Vergleich zu IGBTs auf Siliziumbasis eine höhere Leistungsdichte (Kilowatt pro Kilogramm, kW/kg). Dadurch lässt sich die Systemgröße (Kilowatt pro Liter, kW/l) verringern, was wiederum zur Gewichtsreduzierung des Traktionswechselrichters und einer geringeren Belastung des Elektromotors führt. Ein geringeres Fahrzeuggewicht trägt auch dazu bei, die Reichweite des Fahrzeugs mit der gleichen Batterieladung zu erhöhen. Zudem verkleinert sich der Antriebsstrang, wodurch mehr Platz für die Insassen und ein größerer Kofferraum zur Verfügung stehen.

SiC-Vorteile gegenüber Silizium

Siliziumkarbid hat gegenüber Silizium mehrere Materialvorteile, die es zu einer besseren Wahl für die Entwicklung von Traktionswechselrichtern machen. Der erste ist seine physikalische Härte – auf der Mohs-Härteskala erreicht SiC einen Wert von 9,5 im Vergleich zu 6,5 für Silizium. Damit eignet sich SiC besser für das Sintern unter hohem Druck und weist eine größere mechanische Festigkeit auf.

Seine Wärmeleitfähigkeit (4,9 W/cm•K) ist mehr als viermal so hoch wie die von Silizium (1,15 W/cm•K), was bedeutet, dass es bei höheren Temperaturen zuverlässig arbeiten kann, da es die Wärme effizienter überträgt. SiC bietet auch eine 8-fach höhere Durchbruchsspannung (2.500 kV/cm gegenüber 300 kV/cm) und kann aufgrund seiner breiten Bandlücke schneller ein- und ausgeschaltet werden, was es zu einer besseren Wahl für die zunehmend höheren Spannungen (800 V) in Elektroautos macht.

Bedenken gegen SiC ausräumen

Trotz der offensichtlichen Vorteile von SiC zögern einige der Fahrzeughersteller, von ihren herkömmlichen, siliziumbasierten Schaltern wie beispielsweise IGBTs für Traktionswechselrichter abzuweichen. Gründe für die Zurückhaltung bei der Einführung von SiC sind unter anderem die Auffassung, dass:

• es sich um keine ausgereifte Technologie handelt,

• sie schwierig umzusetzen ist,

• sie nicht in einem für Antriebe geeigneten Gehäuse erhältlich ist,

• die Versorgung nicht so sicher gewährleistet ist wie bei Si-Bauelementen,

• die Technologie teurer ist als IGBTs.

Der folgende Abschnitt stellt einen Ansatz vor, der zeigt, warum diese Vorurteile unbegründet sind und warum Fahrzeughersteller SiC-Komponenten in einem EV-Traktionswechselrichter bedenkenlos einsetzen können und auch sollten.

Der erste Schritt, um Vertrauen zu schaffen, ist der Nachweis des klaren Leistungsvorteils, der sich durch SiC-Bauelemente in Traktionswechselrichtern erzielen lässt. Hierfür wurden die EliteSiC Power 900V-Sixpack-Leistungsmodule NVXR17S90M2SPB (1,7 mΩ R_DS(on)) und NVXR22S90M2SPB (2,2 mΩ R_DS(on)) von Onsemi mithilfe einer Schaltungsentwurfssoftware simuliert und die Ergebnisse bezüglich ihrer Performance mit denen einer Simulation des 820A VE-Trac Direct IGBT (ebenfalls von Onsemi) verglichen. Diese Simulationen an einem Traktionswechselrichter zeigten:

• Bei 450 V DC-Busspannung mit 550 A_eff Stromabgabe bei 10 kHz Schaltfrequenz war die Sperrschichttemperatur (T_vj) der SiC-Module bei gleichen Kühlbedingungen mit 111 °C um 21 Prozent niedriger als die des IGBT (142 °C).

• Im Vergleich zum IGBT lagen die durchschnittlichen Schaltverluste im NVXR17S90M2SPB um 34,5 Prozent niedriger, während im NVXR22S90M2SPB die Verluste um 16,3 Prozent geringer waren.

• Die Gesamtverluste waren bei einem vollständigen Traktionswechselrichterdesign, das mit dem NVXR17S90M2SPB implementiert wurde, über 40 Prozent niedriger, und auch bei einem Aufbau mit dem NVXR22S90M2SPB konnten im Vergleich zu einem IGBT-basierten Design bis zu 25 Prozent Verlustleistung eingespart werden.

Diese Verbesserungen betreffen zwar nur den Traktionswechselrichter, sie führen jedoch zu einem Effizienzgewinn von 5 Prozent bei der Gesamtleistung des Fahrzeugs und ermöglichen damit eine Verlängerung der Reichweite um ebenfalls 5 Prozent. Ein Elektrofahrzeug mit einer 100-kW-Batterie und einer Reichweite von 500 km könnte beispielsweise mit einem Antriebswechselrichter, der mit den EliteSiC-Leistungsmodulen von Onsemi entwickelt wurde, bis zu 525 km weit fahren. Bezeichnenderweise wären die Kosten für die Verwendung von SiC in einem solchen Traktionswechselrichter ebenfalls 5 Prozent niedriger als bei Silizium-IGBTs.

Mehr Leistung als IGBTs in ähnlichem Formfaktor

Für OEMs, die eine Abkehr von IGBTs erwägen, bietet Onsemi SiC-Module mit ähnlichem Formfaktor zur einfacheren Integration an. Dies erleichtert die Implementierung ohne Änderungen im Herstellungsprozess. Darüber hinaus bieten die SiC-Module den zusätzlichen Vorteil einer höheren Leistungsabgabe bei gleicher Sperrschichttemperatur. So kann der NVXR17S90M2SPB beispielsweise 760 A_eff liefern, verglichen mit nur 590 A_eff bei einem IGBT (T_vj =150 °C), was einer Leistungssteigerung um 29 Prozent entspricht. Darüber hinaus sintert Onsemi die SiC-Chips auf einer direkt gebondeten Kupferplatte, was einen bis zu 20 Prozent geringeren Wärmewiderstand zwischen der Sperrschicht des Bauelements und dem Kühlmittel ermöglicht (Bild 2). So beträgt der Wärmewiderstand R_th zwischen Sperrschicht und Kühlmittel nur 0,08 °C/W.

Das Transfer-Molded-Gehäuse, das auf fortschrittlicher Verbindungstechnik basiert, trägt weiter zur hohen Leistungsdichte dieser Module bei und bietet eine niedrige Streuinduktivität (wichtig für die Schalteffizienz bei hohen Geschwindigkeiten), ermöglicht eine höhere Schaltfrequenz und kann die Größe und das Gewicht einiger passiver Bauelemente im System verringern. Darüber hinaus reduziert dieser Gehäusetyp mit Optionen für Betriebstemperaturen von bis zu 200 °C den Kühlbedarf der OEMs und ermöglicht den Einsatz kleinerer Pumpen für das Wärmemanagement.

Mit der höheren Batteriespannung von Elektrofahrzeugen sind geringere Stromstärken nötig, um die gleiche Leistungsabgabe zu erzielen. Nicht zuletzt deswegen werden die Kabel im Fahrzeug auf der Systemebene immer dünner. Und die Umstellung auf SiC wird immer zwingender, da diese Halbleitertechnologie weniger Wärme erzeugt als Silizium, was eine noch höhere Leistungsdichte ermöglicht – und zwar nicht nur in den Traktionswechselrichtern, sondern in der gesamten Fahrzeugarchitektur.

Versorgungsprobleme der OEMs behoben

Auch der Problematik der Liefer- und Versorgungsschwierigkeiten bei SiC-Halbleitern hat sich Onsemi angenommen – und stark in den Aufbau einer vollständig integrierten und ausgereiften SiC-Lieferkette und eines Ökosystems investiert. Zu diesem Ökosystem gehören Wafer-Epitaxie und 150-mm-Fertigung (200-mm-Fertigung ist geplant) diskreter Bauelemente, ICs, Module und Referenzdesigns. Nach mehr als einem Jahrzehnt der Entwicklung bietet Onsemi mit seinem Know-how die Sicherheit, die erforderlich ist, um alle Bedenken der Fahrzeughersteller hinsichtlich der Umstellung auf SiC zu zerstreuen. (cg)

Unterstützung für Entwickler

Ausgereiftes SiC-Ökosystem

SiC-Halbleiter steigern Wirkungsgrad

Mehr erneuerbare Energie im Akku speichern

* Jonathan Liao ist Senior Product Line Manager, Automotive Traction Solutions bei Onsemi

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