Von EVs über Sonnenkollektoren bis hin zum HLK-Anlagen: SiC-Bausteine bieten mehr Leistungsdichte, Effizienz und Zuverlässigkeit. Gleichzeitig reduzieren sie die Größe und das Gewicht des Gesamtsystems.
Es ist schon fast ein halbes Jahrzehnt her, seit Tesla den Traktionsinverter in seinem Model 3 erstmals mit MOSFETs auf Basis von Silizium-Carbid (SiC) ausstattete. Der Traktionsinverter wandelt den von der Batterie kommenden Gleichstrom in den zum Antrieb des Motors notwendigen Wechselstrom um. Diese Wide-Bandgap-Technologie (WBG) hat die Leistungsdynamik in Elektrofahrzeugdesigns seither wesentlich verändert.
Eine Studie von Exawatt rechnet bis zum Jahr 2030 mit einem Anstieg des Anteils von SiC-MOSFETs auf 70 % aller elektrisch betriebenen Pkw. In einem nächsten Schritt dürfte dieses WBG-Halbleitermaterial auch in Designs im Bereich erneuerbare Energien Einzug halten, angefangen von Windrädern über Industriemotoren bis hin zu Sonnenkollektoren.
Neben der Fahrzeugelektrifizierung kommt ein breites Spektrum von Geräten mit ähnlicher Funktion wie Inverter zum Einsatz bei der konstanten Umsetzung, Verwaltung und Regelung des Energieflusses in Windkraftparks, Solaranlegen und Stromnetzen zum Einsatz.
Die SiC-Bausteine von Infineon bildeten die Basis eines einjährigen Pilotprojekts, um den Motorlärm von Straßenbahnen in München zu reduzieren.
Aber warum eignen sich SiC-Komponenten so viel besser für EVs und Designs im Bereich erneuerbarer Energien wie etwa Fotovoltaik-Inverter? Bei Stromversorgungsanwendungen für die Fahrzeugelektrifizierung sowie auch Systemen zur Erzeugung erneuerbarer Energien bilden die Aspekte Effizienz, Zuverlässigkeit und Leistungsdichte ständige Herausforderungen für Designingenieure. Allerdings sind bei siliziumbasierte Komponenten die Grenzen der Effizienzverbesserungen und Systemkostenreduzierung weitgehend erreicht.
Andererseits erfordern Designs wie Antriebssysteme, Industriemotorantriebe und Energieinfrastrukturlösungen eine Technologie zum Schalten hoher Spannungen, um die Effizienz zu steigern, die Größe und das Gewicht von Systemen zu reduzieren sowie die Zuverlässigkeit zu verlängern. Hierfür braucht es eine neue Klasse von Leistungskomponenten, welche die Effizienz auf Systemebene erhöhen, die Leistungsdichte verbessern, elektromagnetische Störungen reduzieren sowie die Größe und das Gewicht der Systeme verringern. Die Lösung sind Leistungshalbleiter auf SiC-Basis.
Ein Beispiel dafür sind EVs, wo SiC-Komponenten zum wichtigen Design-Enabler in Traktionsinvertern, Onboard-Ladesystemen (OBCs), Gleichspannungswandlern und elektrischen Klimakompressoren geworden sind. Der nachfolgende Abschnitt befasst sich eingehender damit, wie SiC-Halbleiter in den Antriebssträngen und Ladegeräten von EVs für höhere Effizienz und kompaktere Abmessungen sorgen.
Warum ist SiC grundlegend in EVs?
Es überrascht nicht, dass bei EVs die Erhöhung der Batteriekapazität angestrebt wird, um die Reichweite zu vergrößern. Darüber hinaus nutzen EVs auch Batterien mit höheren Spannungen von 800 V, um kürzere Ladezeiten zu ermöglichen. So überrascht es nicht, dass Automobilkonstrukteure dringend Leistungsbausteine benötigen, die hohe Spannungen bei geringen Verlusten verarbeiten können.
SiC-Komponenten können Spannungen bis hinauf zu 1200 V und darüber hinaus verarbeiten und bieten gleichzeitig eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Darüber hinaus ermöglicht ihre robuste Handhabung hoher Frequenzen kleinere passive Komponenten in Leistungssystemen. Deshalb tragen SiC-Leistungsbausteine zur Erhöhung der Effizienz sowie zur Senkung des Gewichts und der Kosten von Fahrzeugen bei.
Neben dem Antriebsstrang, der die Energie von der Stromquelle (Batterie) an die Achsen überträgt, ist der wichtigste weitere Markt das Onboard-Laden von EVs. Diese Wandlergeräte funktionieren wie Traktionsinverter, allerdings in umgekehrter Richtung: Sie wandeln die Wechselspannung von der Wandsteckdose in eine für die Batterie geeignete Gleichspannung um.
Als der kalifornische Autohersteller Lucid seine erste rein elektrische Luxuslimousine Lucid Air entwarf, baute er SiC-MOSFETs in das Onboard-Hauptladegerät ein, das einen Gleichspannungswandler und das bidirektionale OBC integrierte, um eine fortschrittliche Leistungsfaktorkorrektur bei hohen Schaltfrequenzen zu ermöglichen.
Die Hauptladeeinheit des Lucid Air integriert einen Gleichspannungswandler und das bidirektionale OBC. Das unter dem Namen Wunderbox bekannte System war mit SiC-MOSFETs von Rohm ausgestattet.
Die SiC-MOSFETs SCT3040K und SCT3080K von Rohm unterstützten Lucid auch maßgeblich, die Größe des Designs und die Leistungsverluste durch hohe Ladeeffizienz zu reduzieren. Rohm hat seine SiC-MOSFETs für Antriebsstrangsysteme von Automobilen optimiert, zum Beispiel Haupt-Antriebsinverter.
In China stellte brachte die Yutong Group elektrische Busse auf den Markt. Das hocheffiziente Antriebsstrangsystem für Elektrobusse basiert auf StarPower, in denen SiC-MOSFETs von Wolfspeed für 1200 V stecken.
Jenseits von EVs: erneuerbare Energie
Während SiC die Funktion von Antriebsstrang und OBCs in EVs revolutioniert, hat es auch sein Potenzial für andere Elektrifizierungsanwendungen unter Beweis gestellt. Diese reichen von Anlagen zur Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HLK) über Stromnetze bis hin zu Industriemotoren. In einem Wort: Die SiC-Story geht weit über EVs hinaus.
Paradebeispiel: Die installierte Fotovoltaik-Kapazität nimmt weltweit zu und ersetzt mittlerweile ungefähr 600 mittelgroße Kohlekraftwerke. Solarstromsysteme nutzen zahlreiche Inverter. Hier sind Größe und Gewicht die Hauptkriterien bei der Installation von Sonnenkollektoren. Die Miniaturisierung eines Inverters könnte den Arbeitsaufwand zur Montage und Wartung von Sonnenkollektoren erheblich reduzieren.
Midnite Solar, ein Hersteller von Produkten im Bereich alternative Energien aus Arlington im US-Staat Washington, hat SiC-MOSFETs von Rohm in Solarladereglern, Doppel-MPPTE-Ladereglern, batteriegestützten Ladern/Invertern sowie Invertern/Ladegeräten für 120/240 V eingebaut. Beim Versuch, einen Inverter mit einem Ladegerät zu kombinieren, also bidirektional zu machen, experimentierte Midnite Solar zunächst mit einem IGBT-Paar in Kombination mit einer weiteren Diode. Dies funktionierte allerdings nicht, weshalb letztlich SiC das Designproblem löste.
Auch Delta Energy Systems nutzte SiC-MOSFETs von Wolfspeed in seinem Solarstrom-Inverter, um eine höhere Leistungsdichte und Energieeffizienz bei gleichzeitig geringerem Gewicht zu erzielen.
