Von Gebäudetechnik bis hin zum Personen- und Güterverkehr stehen wir in allen Bereichen des täglichen Lebens vor tiefgreifenden Veränderungen. In diesem Kontext zeichnet sich ein neues Konzept ab: Elektromobilität. Automobilhersteller, Industrieunternehmen und Forschungsinstitute arbeiten eng zusammen, um vollelektrische Fahrzeuge und die notwendige Infrastruktur zu entwickeln. Die Erwartungen an Elektrofahrzeuge haben sich im vergangenen Jahr deutlich verbessert. Verschiedene Unternehmen haben in den letzten Jahren neue Antriebskonzepte erforscht und getestet. Die ersten Hybrid- und Elektrofahrzeugmodelle sind bereits auf dem Markt erhältlich. Neue Komponenten, die in herkömmlichen Diesel-/Benzinfahrzeugen nicht vorhanden waren, wie beispielsweise elektronische Antriebssysteme, werden nun in Pkw integriert.

Beispiele für diese Art von System sind:

- Wechselrichter zur Motorsteuerung (bis zu 300 kW)
- Batterieladegeräte (Fahrzeugladegeräte) von 3,6 kW bis 22 kW
- Induktives Laden (kabelloses Laden) von 3,6 kW bis 22 kW
- DC/DC-Wandler bis zu 5 kW
- Wechselrichter für Nebenaggregate wie Klimaanlagen, Servolenkungen, Wasserpumpen usw.
 
In den oben genannten Systemen spielt die Leistungselektronik eine entscheidende Rolle für die Funktionsfähigkeit von Hybrid- und Elektrofahrzeugen.

Siliziumkarbid (SiC), ein effizientes Halbleitermaterial.
Die Anforderungen der Automobilhersteller an Leistungselektroniksysteme stellen die Entwickler dieser Systeme vor große Herausforderungen. Platzbedarf, Gewicht und Effizienz sind dabei entscheidende Faktoren. Zudem müssen die Gesamtsystemkosten und der Aufwand in der Produktentwicklungsphase gering sein; gleichzeitig müssen Produktqualität und sicherer Betrieb gewährleistet sein.
Die Effizienz konventioneller Leistungselektronik basiert auf Silizium-Halbleitertechnologien und liegt typischerweise zwischen 85 % und 95 %. Das bedeutet, dass bei jeder Energieumwandlung etwa 10 % des elektrischen Stroms als Wärme verloren gehen. Generell wird die Effizienz von Leistungselektronik maßgeblich durch die Leistungsfähigkeit der Leistungshalbleiter begrenzt. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften besitzt das Halbleitermaterial SiC ein enormes Potenzial, die Anforderungen dieser Marktentwicklungen zu erfüllen.
Im Vergleich zu Silizium-Halbleiterbauelementen ist die elektrische Feldstärke von SiC fast zehnmal höher (2,8 MV/cm gegenüber 0,3 MV/cm). Die höhere elektrische Feldstärke dieses hochresistenten SiC-Substrats ermöglicht die Anwendung dünnerer Schichtstrukturen, sogenannter Epitaxieschichten, auf der SiC-Struktur. Dies entspricht einem Zehntel der Dicke der Silizium-Epitaxieschichten. Die Dotierungskonzentration von SiC kann bei gleicher Sperrspannung zwei Größenordnungen höher sein als die von Silizium. Dadurch wird der Oberflächenwiderstand (R_onA) des Bauelements reduziert, was zu einer deutlichen Verringerung der Phasenverluste führt.
Die thermische Auslegung spielt in elektronischen Leistungselektroniksystemen eine entscheidende Rolle für die Realisierung hoher Leistungsdichten und somit kompakter Systeme. Als Halbleitermaterial eignet sich SiC hervorragend für diese Anwendungen, da seine Wärmeleitfähigkeit fast dreimal so hoch ist wie die von Silizium-Halbleitern. SiC ist zudem im Vergleich zu Silizium-Halbleitern für höhere Betriebstemperaturen geeignet.

Energieverluste von Halbleiterbauelementen:
Im Betrieb elektronischer Energiesysteme geht Energie durch Stromfluss und das Schalten von Halbleiterkomponenten verloren. Der Gesamtenergieverlust in elektronischen Energiesystemen setzt sich aus statischen Verlusten und Schaltverlusten zusammen. Statische Verluste treten primär im leitenden Zustand der Leistungskomponente auf. Schaltverluste entstehen durch das Schalten der Halbleiter. Je höher die Schaltfrequenz im Betrieb ist, desto höher sind die Schaltverluste.
Die Schaltfrequenz in elektronischen Energiesystemen wird häufig anwendungs- und systemspezifisch festgelegt. Beispielsweise wird die Schaltfrequenz eines elektrischen Antriebs durch die vom Motor benötigte Ausgangsfrequenz bestimmt. Weitere Faktoren wie das Resonanzverhalten des Gesamtsystems, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und das Wärmemanagement müssen ebenfalls berücksichtigt werden, um die geeignete Schaltfrequenz zu bestimmen. Zusätzlich zu den Energieverlusten in den Leistungshalbleiterbauelementen treten auch Verluste in passiven Bauelementen wie Transformatoren, Induktivitäten und Kondensatoren innerhalb des Schaltkreises auf. Die Wechselwirkung zwischen Leistungshalbleitern und passiven Bauelementen wie Induktivitäten und Transformatoren ist entscheidend für die Erzielung einer hohen Leistungsdichte im System. Daher müssen die physikalischen Eigenschaften passiver Bauelemente und Halbleiter bei der Entwicklung elektronischer Stromversorgungssysteme berücksichtigt werden.
Statische Verluste, Schaltverluste sowie die Verluste passiver Bauelemente tragen zu den Gesamtenergieverlusten des Systems bei, die in Wärme umgewandelt werden können. Die entstehende Wärme muss über ein geeignetes Kühlmedium abgeführt werden, um die Zuverlässigkeit der Komponenten und des Systems zu gewährleisten. Schaltverluste treten prinzipiell bei einem einzelnen Schaltvorgang auf, beispielsweise beim Schalten von Halbleitern. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz führt zu einem Anstieg der gesamten Schaltverluste, was wiederum die Gesamtenergieverluste erheblich beeinflusst. In bestimmten elektronischen Stromversorgungssystemen von Fahrzeugen ist eine hohe Schaltfrequenz wünschenswert, um die Systemanforderungen oder -spezifikationen zu erfüllen. In solchen Systemen machen die Schaltverluste einen großen Teil der gesamten Systemenergieverluste aus. Werden in diesen Anwendungen Siliziumhalbleiter mit hohen Schaltfrequenzen eingesetzt, zwingt die hohe Verlustleistung und die daraus resultierende Wärme die Systementwickler dazu, die Systemfunktionalität und -zuverlässigkeit sicherzustellen. Dies bedeutet, dass eine hohe Schaltfrequenz einen geringeren Stromverbrauch zur Folge hat. Sind jedoch hohe Lastströme in diesen Anwendungen unerlässlich, muss die Gesamtgröße des Systems entsprechend erhöht werden. Diese Maßnahme wäre zum jetzigen Zeitpunkt unumgänglich, entspricht aber nicht den Erwartungen der Endnutzer. Man kann sagen, dass Silizium-Halbleiter nahezu an ihre Leistungsgrenzen gestoßen sind.
Beim Vergleich eines SiC-MOSFETs mit einem Silizium-IGBT in Anwendungen mit hohen Schaltfrequenzen zeigt sich, dass der Ausgangsstrom aufgrund der hohen Schaltverluste des Silizium-IGBTs und der daraus resultierenden Wärme reduziert werden muss. Nur so lässt sich die maximale Betriebstemperatur des Chips nicht überschreiten und die Funktionsfähigkeit des Halbleiters gewährleisten.

Text im Diagramm: Wettbewerber; Schaltfrequenz (kHz). SiC bietet bei höheren Schaltfrequenzen einen höheren Laststrom. Laststrom (A_R).
Mit SiC sieht alles anders aus. Der SiC-Halbleiter bietet ein besseres Schaltverhalten als der Silizium-IGBT. Daher verursacht SiC bei höheren Schaltfrequenzen geringere Schaltverluste. Folglich lässt sich in der Anwendung bei hohen Schaltfrequenzen ein höherer Laststrom erzielen als mit einem Silizium-IGBT.

Abbildung 2 bietet einen Vergleich zwischen einem SiC-Halbbrückenmodul (BSM300D12P2E001) und vier verschiedenen IGBT-Modulen eines Herstellers.

Dieses Bild zeigt deutlich, dass der SiC-MOSFET bei hohen Schaltfrequenzen effizienter ist als der Silizium-IGBT. Mit einem 300-A-IGBT-Modul und einer Schaltfrequenz von 40 kHz konnte in der Anwendung ein Laststrom von maximal 80 A_R erreicht werden. Im Gegensatz dazu ließ sich mit einem 300-A-Rohm-SiC-Modul ein Laststrom von 200 A_R erzielen. Dies entspricht einer Steigerung des Laststroms um 120 % im Vergleich zum Silizium-IGBT.
 Für die Entwicklung kompakter Leistungselektroniksysteme ist eine optimale Kühlung unerlässlich. In den letzten Jahren wurden verschiedene neue Kühlkonzepte auf den Markt gebracht, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Diese Konzepte sind jedoch in der Regel sehr kostspielig und verursachen mitunter Probleme in der Anwendung. Diese Probleme treten nicht nur in der Entwicklungsphase, sondern auch in der Produktion und im Betrieb auf. Dank des Einsatzes eines effizienten Halbleitermaterials wie SiC kann dieser aufwendige Kühlprozess entfallen, was zu geringeren Kühlkosten und einem einfacheren Systembetrieb führt.

Miniaturisierung von Leistungselektroniksystemen:
Automobilhersteller stellen, orientiert an den Anwendungsszenarien von Elektrofahrzeugen, diverse Anforderungen an Leistungselektroniksysteme. Dazu gehören beispielsweise Temperaturbeständigkeit, Vibrationsfestigkeit, zuverlässiger Betrieb bei unterschiedlichen Temperaturen und eine lange Lebensdauer. Darüber hinaus gilt eine hohe Leistungsdichte in integrierten Systemen für Automobilhersteller mittlerweile als unerlässlich. All diese Anforderungen stellen die Leistungselektronik jedoch vor große Herausforderungen.
Die Reichweite von Hochvoltbatterien ist eines der größten Hindernisse für die Verbreitung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Um den Endkunden (d. h. den Fahrzeughalter) von der Elektromobilität zu überzeugen, setzen einige Automobilhersteller derzeit auf Schnellladesysteme, die die Nutzung von Elektroautos vereinfachen sollen. Technisch gesehen erfordert Schnellladen jedoch eine höhere Ladeleistung in kurzer Zeit, um die Batterie vollständig aufzuladen. Da der verfügbare Platz im Fahrzeug stets begrenzt ist, muss das Batterieladesystem eine hohe Leistungsdichte aufweisen. Nur so lassen sich diese Systeme unter Berücksichtigung der Marktanforderungen in das Fahrzeug integrieren.
On-Board-Ladegeräte sind komplexe Systeme, die aus verschiedenen Komponenten zur Energieumwandlung bestehen. Diese Systeme integrieren verschiedene Komponenten, darunter Halbleiter (wie Dioden und MOSFETs), passive Bauelemente (wie Induktivitäten und Kondensatoren) sowie einen Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis, das zum Laden der Batterie auf die erforderliche Spannung angepasst ist. Der Transformator dient außerdem der galvanischen Entkopplung der Hochvoltbatterie während des Ladevorgangs.
Eine Möglichkeit zur Miniaturisierung der Leistungselektronik besteht darin, passive Bauelemente wie Induktivitäten und Transformatoren kompakter zu gestalten. Dies ist in der Regel nur möglich, wenn die im Schaltkreis verwendeten Halbleiter mit einer hohen Schaltfrequenz angesteuert werden können. Bei Siliziumhalbleitern begrenzt die durch hohe Schaltfrequenzen erzeugte thermische Belastung diesen Ansatz. Im Gegensatz dazu ist der SiC-MOSFET dank seiner hervorragenden Schalteigenschaften ideal für diese Anwendungen.
Abbildung 3 veranschaulicht dies anhand eines Beispiels: Bei einem DC/DC-Wandler mit Siliziumhalbleitern ist die Schaltfrequenz auf 25 kHz begrenzt. Mit einem SiC-MOSFET lässt sich eine Schaltfrequenz von 160 kHz erreichen. Dies führt zu einer signifikanten Miniaturisierung der Wicklungsqualität des Gesamtsystems sowie zu einer hohen Leistungsdichte und einer signifikanten Reduzierung des Gesamtgewichts.

 
Gewicht – Silizium-Halbleitersystem – SiC-Halbleitersystem
Volumen – Chipgröße

Die Vorteile von SiC-Halbleitern wurden endlich auch von Automobilherstellern erkannt. Erste Produkte, insbesondere SiC-Dioden von Rohm, werden weltweit in mehreren Serienfahrzeugen für das On-Board-Laden eingesetzt. Rohm wird in Kürze auch den weltweit ersten SiC-MOSFET in Automobilqualität anbieten. Neben Batterieladesystemen bergen SiC-Halbleiter enormes Potenzial für Anwendungen wie DC/DC-Wandler und Wechselrichter. Rohm bietet spezifische Lösungen für diese Anwendungsbereiche.
Die zweite Generation der SiC-Schottky-Barrieredioden (SBDs) von Rohm umfasst aktuell Produkte für 650 V mit 5 bis 100 A sowie für 1200 V und 1700 V mit einer Strombelastbarkeit von bis zu 50 A. Das SiC-MOSFET-Sortiment von Rohm ist sogar noch umfangreicher, da das Unternehmen zwei verschiedene Technologien anbietet: planar und Dual-Trench. Planar Technology bietet bereits diskrete Produkte und Module in den Spannungsbereichen 650 V, 1200 V und 1700 V mit einer Strombelastbarkeit von bis zu 300 A an.
ROHM nimmt die Serienproduktion von SiC-MOSFETs der dritten Generation für diskrete Bauelemente sowie von kompletten SiC-Modulen mit der firmeneigenen Dual-Trench-Technologie auf. Damit erweitert ROHM die bestehende MOSFET-Produktfamilie und leistet einen Beitrag zur Entwicklung effizienter und zuverlässiger Leistungselektronik.

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Autor: Aly Mashaly, Leiter der Abteilung Energiesysteme, ROHM Semiconductor GmbH