Heute bestehen die meisten Halbleiter aus einem Silizium (Si)-Grundmaterial, in den letzten Jahren machte aber ein relativ neues Halbleiter-Grundmaterial von sich reden. Dabei handelt es sich um Siliziumkarbid oder SiC. Heute sind MOSFETs und Schottky-Dioden die wichtigsten Halbleitertechnologien, die SiC verwenden.
Was sind die Vorteile von SiC gegenüber Si?
Im Grunde gilt Siliziumkarbid (SiC) als Halbleiter mit breiter Bandlücke, was inhärente Vorteile gegenüber herkömmlichen Si-Halbleitern bietet. Diese Materialeigenschaften von SiC bieten Verbesserungen in de folgenden Bereichen:
- Durchbruchfeld
- Elektronendrift-Geschwindigkeit
- Wärmeleitfähigkeit
Durchbruchfeld
Ein höheres Durchbruchfeld ermöglicht dem Gerät, in einem bestimmten Bereich höheren Spannungen standzuhalten. Dadurch haben Gerätekonstrukteure die Möglichkeit, den Bereich für den Stromfluss für dieselbe Chipgröße zu vergrößern und dadurch den Widerstand des Geräts für einen bestimmten Bereich, Rsp, zu erhöhen. Der Widerstand des Geräts ist direkt mit den Leitungsenergieverlusten verbunden, so dass ein kleinerer Rsp-Wert diese Verluste verringert und die Effizienz erhöht.
Elektronendrift-Geschwindigkeit
Die Elektronendriftgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich aufgrund eines elektrischen Feldes Elektronen in einem Material bewegen. Bei SiC-Halbleitern ist die Elektronendriftgeschwindigkeit zweimal höher als bei Si-basierten Halbleitern. Je schneller sich die Elektronen bewegen, umso schneller kann das Gerät ein- und ausgeschaltet werden. Schnelleres Schalten bietet Entwicklern zwei Vorteile. Zunächst geringere Energieverluste während der Übergangszeit zwischen Ein und Aus. Und zweitens ermöglichen höhere Schaltfrequenzen die Verwendung kleinerer Magneten und Kondensatoren.
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit von SiC ist etwa dreimal besser als die von Si und verbindet alle Vorteile der übrigen Eigenschaften auf einmal. Bei der Wärmeleitfähigkeit geht es darum, wie schnell Wärme von der Halbleiterverbindung an die externe Umgebung übertragen wird. Dies bedeutet, dass SiC-Geräte bis zu 200 °C operieren können, während Si typischerweise auf 150 °C beschränkt ist.
Diese drei Vorteile zusammen ermöglichen die Entwicklung effizienterer Produkte, die zugleich kleiner, leichter und letztlich auch kostengünstiger sind. Es ist allgemein bekannt, dass SiC-Geräte teurer sind als ihre Si-Äquivalente. Die Kosteneinsparungen durch kleinere passive Komponenten und das geringere Wärmemanagement können die Gesamtsystemkosten jedoch um 20 % senken. Die Materialeigenschaften von Siliziumkarbid bieten enorme Vorteile für Hochleistungsanwendungen, bei denen hohe Spannungen, hohe Stromstärken, hohe Temperaturen und hohe Wärmeleitfähigkeit bei insgesamt geringerem Gewicht erforderlich sind. MOSFETs und Schottky-Dioden (in diskreter und Power Module-Paketierung) sind die wichtigsten Technologien, die SiC verwenden.
Praktische Anwendungen der Vorteile von Siliziumkarbid
Siliziumkarbid wird für zahlreiche Anwendungen eingesetzt, etwa in Elektrofahrzeugen, Solar-Wandlern, Energiespeichersystemen und Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Es bietet viele Vorteile für Systemdesigner und Hersteller, die damit diesen Wandel voranbringen, aber welche Vorteile bietet dies für die Verbraucher dieser Endprodukte?
Sehen wir uns dazu zunächst den Bereich der Elektrofahrzeuge an. Der Hauptgrund für ihre nur langsame Annahme ist die so genannte „Reichweitenangst“. Mit SiC kann die Reichweite eines Elektrofahrzeugs um mehr als 7 % vergrößert werden. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Reichweite, da einfach nur von einem IGBT-basierten zu einem SiC-Wandler gewechselt werden muss. Aber dies sind noch nicht alle Vorteile. Die Verwendung von SiC in Elektrofahrzeugen hat auch Auswirkungen auf die andere Herausforderung, die dabei noch besteht: die Kosten. In Elektrofahrzeugen sind die Batterien die teuersten Teile. Wenn Elektrofahrzeuge mit SiC eine um 7 % größere Reichweite haben, kann auch die Größe der Batterie um 7 % verringert werden, ohne dass die Reichweite unter die mit Nicht-SiC-Produkten erreichbare sinkt. Eine kleinere Batterie führt schließlich zu niedrigeren Gesamtkosten für das Elektrofahrzeug. Daher wird SiC sehr stark für Elektrofahrzeuge genutzt, was auch die hohen Umsatzprognosen für SiC-Hersteller erklärt.
Zu Elektrofahrzeugen gehören die entsprechenden Ladestationen und der Ausbau der Lade-Infrastruktur. Bei Ladestationen für Elektrofahrzeuge ist einer der wichtigsten Gesichtspunkte die Energiedichte. Hier kommt SiC ins Spiel, da Konstrukteure damit bei gleichbleibendem Volumen mehr Energie erhalten oder die Energie aufrecht erhalten und das Volumen um 300 % reduzieren können. Mehr Energie bei gleichem Volumen ist der wichtigste Faktor für die Nutzung von SiC für Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Dabei geht es darum, ein Elektrofahrzeug in derselben zeit zu laden, die man zum Betanken eines Verbrenners benötigt. Dies ist nur möglich, wenn die von der Ladestation an das Elektrofahrzeug übertragene Energiemenge erhöht wird.
Siliziumkarbid hilft auch auf dem Markt für erneuerbare Energien, da es kleinere und leichtere Solar-Wandler ermöglicht. Mit der höheren Schaltfrequenz von SiC können Solar-Wandler kleinere und leichtere Magnete verwenden. Je nach Energiestufe können Solar-Wandler dadurch weniger als 25 kg wiegen. Nach den Angaben der OSHA (Occupational Safety and Health Administration) ist dies die Obergrenze, bis zu der eine Person eine Last heben kann. Für höhere Lasten sind zwei oder mehr Personen oder eine Hebevorrichtung erforderlich. Mit leichteren Solar-Wandlern brauchen Organisationen für die Installation nur noch eine einzelne Person. Dies senkt die Installationskosten und macht diese Technologie für Installateure und Verbraucher attraktiv. Dieser Vorteil gilt auch für Wallbox-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge. Es gibt natürlich noch weitere praktische Vorteile von SiC in Solar-Wandlern, wie etwa eine allgemein höhere Effizienz und allgemein niedrigere Systemkosten.
Auch industrielle Motorantriebe profitieren vom Wechsel zu SiC. SiC bietet Motor-Wandlern höhere Effizient, ermöglicht geringere Größen und bessere Wärmeableitung, wodurch der Motorantrieb lokal oder auf dem Motor selbst platziert werden kann. Dies beseitigt den Bedarf an langen Kabeln zurück zum Stromkasten wie bei einer Lösung mit Si-IGBTs. SiC-Lösungen benötigen tatsächlich nur zwei Kabel zum Stromkasten. Dies eliminiert Hunderte von Metern teurer und komplexer Kabel für dieses Beispiel eines Robotergelenkarms mit sieben Motoren in Abbildung 2. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie hier: Vorteile von SiC-MOSFETs gegenüber IGBT
Die gezeigten Anwendungsbeispiele profitieren alle von der robusten Widerstandsfähigkeit und Zuverlässigkeit von SiC – dies ist ein wichtiges Differenzierungsmerkmal für Konstrukteure, die Verwendung anderer Halbleiter mit breiter Bandlücke erwägen, etwa von Galliumnitrid (GaN).
Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen GaN und SiC.
Der weltweite Übergang zur Dekarbonisierung mithilfe von Siliziumkarbid
Ein gemeinsamer Zug der genannten Anwendungen ist die Tatsache, dass sie alle die Bewegung hin zur Dekarbonisierung unterstützen. Sie tun dies jedoch auf unterschiedliche Weise.
Elektrofahrzeuge leisten ihren Beitrag zur Dekarbonisierung durch die direkte Reduzierung des CO2-Gewichtsanteils, der von Straßenverkehr emittiert wird. Sie haben Null Emissionen am Auspuff, verbrauchen jedoch Elektrizität, die aus CO2 emittierenden Quellen stammt. Unter Berücksichtigung dieser Emissionen schätzt das U.S. DoE die durchschnittlichen jährlichen Emissionen eines Elektrofahrzeugs auf 1408 kg CO2 gegenüber 12292 kg bei einem Benzinfahrzeug. Dies bedeutet eine Reduzierung der CO2-Emissionen in die Atmosphäre um 78 %.
Ladestationen für Elektrofahrzeuge haben keine direkten Auswirkungen auf die Dekarbonisierung, ohne eine robuste Infrastruktur schneller DC-Ladestationen wird sich die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen jedoch nicht beschleunigen. Die Reichweitenangst ist dabei nach wie vor ein wichtiger Faktor. Neunzig Prozent der US-amerikanischen Haushalte, die ein Elektrofahrzeug besitzen, besitzen noch ein weiteres Fahrzeug, das typischerweise kein Elektrofahrzeug ist. Diese Statistiken unterstreichen, dass Verbraucher noch nicht davon überzeugt sind, dass Elektrofahrzeuge alle ihre Bedürfnisse erfüllen, besonders, wenn es um Langstreckenfahrten geht.
Seit 2009 sind die Kosten für die photovoltaische Erzeugung von Solarenergie um fast neunzig Prozent gesunken, wodurch dies mit 37 USD/MWh 2020 die kostengünstigste Energiequelle war. Demgegenüber liegen die Kosten bei Kohle bei 112 USD/MWh und die von Erdgas bei 59 USD/MWh. Mit Solarkraft kann weltweit Energie mit Null CO2-Emissionen erzeugt werden, dazu bei geringeren Kosten als bei allen anderen Energiequellen. SiC ist für diese Kostenreduzierungen nicht allein verantwortlich, das Material trägt aber dazu bei, dass sich die Kosten der Solarenergieerzeugung verringern.
Weltweit wird immer mehr elektrische Energie genutzt, weshalb es wichtig ist, die Effizienz der Geräte, die diese Energie verbrauchen, immer weiter zu verbessern. Elektromotoren sind für 40 - 50 % des weltweiten Elektrizitätsverbrauchs verantwortlich. Es ist von entscheidender Bedeutung, diese Elektromotoren so effizient wie möglich zu gestalten, da selbst kleine Verbesserungen auf diesem Gebiet durch die schiere Anzahl solcher Motoren weltweit enorm multipliziert werden.
SiC hilft nicht nur bei der Dekarbonisierung bestehender Anwendungen, sondern ermöglicht auch solche, die bislang noch nicht möglich waren. Ein Beispiel dafür sind senkrecht startende Luftfahrzeuge. SiC ermöglicht nicht nur größere Reichweiten für Elektrofahrzeuge, sondern auch für solche Flugzeuge, was ihren Einsatz für verschiedene Zwecke erleichtert.
SiC-Halbleiter unterstützen die Akzeptanz solcher Endsysteme durch höhere Effizienz, Zuverlässigkeit, Widerstandsfähigkeit, geringere Größe und geringeres Gewicht und insgesamt niedrigere Kosten.
Lassen Sie sich von Arrow Electronics zum Thema SiC beraten
Wie bei jeder neuen Technologie bringt auch diese schnelle Änderungen und auch Schwierigkeiten mit sich, die es zu überwinden gilt. Arrow Electronics hat mit seinen führenden SiC-Lieferanten zusammengearbeitet, um Ihnen Wissen und Hilfsmittel zur Verfügung zu stellen, um den Übergang zu SiC schnell und erfolgreich gestalten zu können. Zu diesen SiC-Lieferanten gehören Infineon Technologies, Microchip Technology, onsemi, ST Microelectronics und Wolfspeed.
Um alle Vorteile von SiC nutzen zu können, ist es wichtig, das vollständige Design neu zu evaluieren; Systemkonstrukteure müssen neue Gate-Treiber, Stromsensoren, Kondensatoren, Magnete, Steckverbinder und sogar Controller auswählen. Deshalb haben Wolfspeed und Arrow Electronics gemeinsam das Wolfspeed SpeedVal Kit™ entwickelt, eine modulare Evaluierungsplattform für SiC. Damit können Systemkonstrukteure in einer Plug-and-play-Umgebung schnell verschiedene SiC-Geräte in Kombination mit unterschiedlichen Gate-Treibern und Controllern evaluieren.
SiC bietet deutliche Vorteile gegenüber Si-Technologien, die die weltweite Bewegung hin zur Dekarbonisierung unterstützen. Arrow Electronics ist einzigartig aufgestellt, um mit seinem dedizierten Wissen im Hochenergiesektor und seinem Portfolio aus führenden Anbietern die allgemeine Akzeptanz von SiC und damit die Bewegung hin zur Dekarbonisierung zu unterstützen.
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