Automobilanwendungen treiben die Entwicklung energieeffizienterer Halbleitertechnologien voran. Ganz vorne liegen Halbleiter mit breiter Bandlücke (Wide Bandgap, WBG), für die es zahlreiche Einsatzmöglichkeiten im Auto, aber auch in der unterstützenden Infrastruktur, z. B. Laden von Elektrofahrzeugen, gibt.
Ihre größere Bandlücke unterscheidet WBG-Technologien erheblich von herkömmlichen Halbleitern oder „Legacy-Silicium“. Diese Bandlücke ist die Energiedifferenz zwischen der Oberkante des Valenzbands und der Unterkante des Leitungsbands. Diese Differenz ermöglicht den Betrieb von WBG-Halbleiter-Leistungsbauelementen bei höheren Spannungen, Temperaturen und Frequenzen und kann dank neuer siliciumfreier Materialien genutzt werden.
WBG-Leistungselektronik (Power Electronics, PE) ist ein kleines, aber wachsendes PE-Segment. WBG-PE-Elemente werden zum Umwandeln, Steuern und Verarbeiten von Strom eingesetzt. Da WBG-Halbleiter-Leistungsbauelemente Energieerzeugung, -übertragung und -verbrauch effizienter machen, sind sie ideal für viele Automobilanwendungen.
Auf die Lücke kommt es an … und die Materialien
Die Bandlücke für typische Halbleitermaterialien wie Silicium reicht von 1 bis 1,5 Elektronenvolt (eV), während sich die größeren Bandlücken von WBG-Halbleitern im Bereich von 2 bis 4 eV bewegen. Im Wesentlichen ist eine breitere Bandlücke besser, da ein WBG-Halbleiter bei höheren Maximaltemperaturen betrieben werden kann als herkömmliches Silicium, eine geschätzte Eigenschaft im Automotive-Bereich.
Die von Physikern definierte Bandlücke eines Materials ist die Energiedifferenz zwischen dem niedrigsten unbesetzten Zustand des Leitungsbands – des Bands, in das die Elektronen springen können – und dem höchsten besetzten Zustand des Valenzbands, d. h. des Bands der Elektronenbahnen, aus denen Elektronen springen, wenn sie durch Energiezufuhr angeregt werden. Die Energie, die Elektronen benötigen, um sich vom Valenzband zum Leitungsband zu bewegen, wird durch diese Bandlücke bestimmt.
Abgesehen von der Lücke selbst unterscheiden sich die WBG-Halbleiter von herkömmlichen Halbleitern durch die verwendeten Materialien. Die häufigsten sind Galliumnitrid (GaN) und Siliciumcarbid (SiC). Der Markt für diese Technologien wird bis 2032 voraussichtlich 6,9 Millionen US-Dollar überschreiten.
Die Bandlücken von GaN und SiC betragen 3,2 eV bzw. 3,4 eV und sind damit etwa dreimal größer als von Silicium. Aufgrund seiner größeren Bandlücke kann sowohl GaN als auch SiC höhere Spannungen und Frequenzen unterstützen als herkömmliches Silicium. Es gibt aber auch Unterschiede zwischen den Halbleitern; diese Faktoren beeinflussen ihre Funktionsweise und Anwendungsfälle, auch in Automobilanwendungen.
Der bemerkenswerteste Unterschied zwischen GaN und SiC ist die Geschwindigkeit, die dadurch definiert wird, wie schnell sich Elektronen durch das Halbleitermaterial bewegen können. Die „Elektronenmobilität“ von GaN ist mit 2.000 cm2/Vs um 30 Prozent schneller als von SiC mit 650 cm2/Vs. Durch seine größere Elektronenmobilität eignet sich GaN besser für High-Performance-Hochfrequenzanwendungen, während die höhere Wärmeleitfähigkeit und der Niederfrequenzbetrieb von SiC einen Vorteil bei Anwendungen mit höherer Leistung bedeutet.
Diese Unterschiede machen GaN-Halbleiter zur perfekten Wahl für RF-Geräte, die im Gigahertz-Bereich schalten. Sie sind auch der Grund, weshalb SiC in Elektrofahrzeugen und Rechenzentren, einigen Solarenergiedesigns, Bahnantrieben, Windkraftanlagen, der Netzverteilung sowie industrieller und medizinischer Bildgebung eingesetzt wird, die tendenziell höhere Spannungen und eine bessere Wärmeableitung erfordern.
Da die vorherrschenden Siliciumtechnologien in immer mehr bestehenden und neuen Anwendungen an ihre Leistungsgrenzen stoßen, bietet sowohl GaN als auch SiC mehrere Vorteile für den Einsatz in Fahrzeugen.
WBG verträgt hohe Temperaturen
Der allgemeine Vorteil von WBG-Halbleitern besteht darin, dass sie höheren elektrischen Feldern standhalten, höhere Spannungen halten und bei höheren Schaltfrequenzen arbeiten können. Diese Eigenschaften verbessern die Leistung. Sie kommen auch mit höheren Maximaltemperaturen als herkömmliches Silicium zurecht.
WBG-Technologien können außerdem kleiner sein, weil der Schalter schneller ist: Energie wird in kleineren Paketen geliefert. Das bedeutet, dass weniger Energie in den passiven und induktiven Elementen der Schaltung gespeichert werden muss. Kleiner ist immer gut für Automobilanwendungen – insbesondere, wenn damit eine höhere Leistung und eine bessere Energieeffizienz erzielt werden. Das Gewicht des Fahrzeugs wird verringert, was der Kraftstoffeffizienz zugute kommt, während gleichzeitig die CO2-Emissionen reduziert werden. Dies gilt vor allem für E-Autos, da GaN und SiC nicht nur für viele Anwendungen im Fahrzeug, sondern auch für die Ladeinfrastruktur infrage kommen.
Da GaN kleinere, effizientere und kostengünstigere Stromversorgungssysteme ermöglicht, profitiert die Fahrzeugelektrifizierung in mehrfacher Hinsicht entscheidend von diesem Halbleiter: kleinere, leichtere Akkus, verbesserte Ladeleistung und größere Reichweite von Elektrofahrzeugen. GaN unterstützt auch drahtlose Energieanwendungen und autonome Fahrzeugfunktionen.
Eine kritische Komponente der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge ist das Bordladegerät (On-board Charger, OBC). Dieses Ladegerät, das jedes E-Auto benötigt, muss in der Lage sein, den Wechselstrom aus der Wandsteckdose in Gleichstrom zum Aufladen des Akkus umzuwandeln. GaN-basierte Transistoren ermöglichen kleinere und leichtere OBCs, wodurch sich natürlich das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert und die Reichweite erhöht. GaN-Transistoren finden auch Verwendung als Traktionswechselrichter, die den Gleichstrom im Akku in Wechselstrom umwandeln und die Reichweite durch mehr Energieeffizienz erhöhen.
In der Zwischenzeit wird die erforderliche Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge von der SiC-Technologie durch SiC-basierte Stromprodukte wie Bare-Die, diskrete Schottky-Dioden und MOSFETs sowie Leistungsmodule unterstützt. Dank größerer Energieumwandlung, höherer Schaltgeschwindigkeiten und besserer thermischer Leistung ist SiC die perfekte Wahl für die Schnelllade-Infrastruktur für Elektrofahrzeuge. Ebenso wie GaN ermöglicht SiC kleinere und leichtere Bauelemente als herkömmliche Siliciumoptionen.
Die SiC-Technologie spielt eine entscheidende Rolle beim Aufbau der Schnelllade-Infrastruktur, um alle verbliebenen Bedenken hinsichtlich der Reichweite von E-Autos sowie der Zuverlässigkeit und Robustheit von Systemgeräten zu zerstreuen. Diese Zuverlässigkeit und diese Robustheit sind die Voraussetzung für schnelleres Laden. Da die Reichweite von Elektrofahrzeugen durch leichtere Akkus mit hoher Leistungsdichte erhöht wird, werden OBCs mit SiC-basierten Lösungen, die auch Smart-Grid-Anwendungen und E-Commerce-Funktionen innerhalb einer Schnelllade-Infrastruktur unterstützen können, bidirektional.
Flexibilität ist ebenfalls wichtig für das Fahrzeugdesign. Auch hier bieten GaN- und SiC-Technologien die perfekte Unterstützung, weil sie kleiner, leichter und energieeffizienter sind. Wenn Elektrofahrzeuge wirklich durchstarten sollen, muss die unterstützende Ladeinfrastruktur viele verschiedene Fahrzeugtypen und Stakeholder mitnehmen – nicht nur die Fahrer von E-Autos, sondern auch Kommunen und Geschäftsinhaber mit ihren eigenen Anforderungen an Ladestationen, die von Systementwicklern erfüllt werden müssen.
WBG-Halbleiter besitzen ein großes Potenzial als Lösung für Energieprobleme in Automobilanwendungen sowie in anderen Einsatzbereichen von alternativen Energien und unterbrechungsfreien Stromversorgungen. In diesem E-Book erfahren Sie mehr. Steigender Strombedarf und Umweltbewusstsein machen WBG-Technologien zu einer hervorragenden Wahl für Leistungsbauelemente, da sie die Größe reduzieren, die Energieeffizienz erhöhen und den Gesamtverbrauch senken – alles Faktoren, die im Automotive-Bereich von entscheidender Bedeutung sind.
