In den letzten Jahren hat sich der Einsatz von Breitbandhalbleitern wie Siliziumkarbid (SiC) in Wechselrichtern von Elektrofahrzeugen als Ersatz für herkömmliche Silizium-IGBTs (Si-Insulated-Gate Bipolar Transistors) etabliert. Durch die Verwendung von SiC lassen sich Leistungsmodule mit höherer Leistungsdichte und Betriebstemperatur realisieren, wodurch sich neue Möglichkeiten für das Wärme- und Materialmanagement in der Fahrzeugelektronik eröffnen.
Der Übergang zu SiC
Trotz der steigenden Kosten von SiC-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) hat sich deren Marktdurchdringung im Bereich der Elektrofahrzeuge deutlich erhöht. Laut einer Studie von IDTechEx machten SiC-MOSFET-Wechselrichter im Jahr 2020 fast 30 % des globalen Elektrofahrzeugmarktes aus. Tesla setzte diesen Trend 2018, und auch andere Hersteller wie BYD haben bereits Fahrzeuge auf den Markt gebracht. Branchenriesen wie Stellantis und Hyundai integrieren SiC-Leistungselektronik in ihre günstigeren Modelle, um ihre Hochvolt-Plattformen (800 V) zu ermöglichen.
Herausforderungen des Wärmemanagements
Die Leistungselektronik in Elektrofahrzeugen stellt interessante Herausforderungen an das Wärmemanagement. Der Einsatz von Siliziumkarbid (SiC) verändert verschiedene Aspekte des Modul- und Gehäusedesigns sowie die Materialauswahl. In herkömmlichen Leistungselektronikgehäusen treten bei Temperaturwechseln mehrere potenzielle Fehlerquellen auf. Durch das Erhitzen und Abkühlen des Gehäuses führt die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Materialien zu einer Degradation verschiedener Verbindungen, darunter Drahtverbindungen, Chipübergänge und Substratübergänge. Mit SiC-Gehäusen lassen sich Leistungsdichte und Betriebstemperatur deutlich erhöhen, wodurch einige herkömmliche Optionen nicht mehr geeignet sind.
Heute sind Aluminiumdrahtverbindungen die gängigste Verbindungstechnologie; sie stellen jedoch eine häufige Fehlerquelle dar. Dies hat zu einem verstärkten Einsatz von Drahtverbindungen mit Aluminiumlegierungen, Kupfer oder sogar direkter Bleibondierung geführt. Auch die Materialien zur Befestigung der Arrays sind entscheidend. Üblicherweise erfolgt dies durch traditionelles Löten, doch bei höheren Betriebstemperaturen (insbesondere bei SiC) kann das Standard-SAC-Löten (Zinn-Silber-Kupfer) unzuverlässig sein. Daher werden Alternativen wie das Silbersintern entwickelt, die eine deutlich bessere Leistung bei Temperaturwechselbeanspruchung bieten. Das Tesla-Gehäuse von STMicroelectronics verwendet eine Kombination aus Kupferbandverbindungen und silbergesinterten Aluminiumdrahtverbindungen zur Befestigung des Arrays. Wir sind sehr an diesen neuen Alternativtechnologien interessiert. Wir gehen davon aus, dass diese Optionen in Zukunft vermehrt in Wechselrichtergehäusen eingesetzt werden, um eine höhere Zuverlässigkeit bei kleineren Bauformen und gesteigerter Effizienz zu ermöglichen.
Im größeren Maßstab werden, ähnlich wie bei vielen Elektrofahrzeugbatterien, auch Fahrzeugleistungselektronikkomponenten häufig flüssigkeitsgekühlt. Typischerweise fließt das Kühlmittel durch die Kühlrippen des Kühlkörpers unterhalb des Moduls. Obwohl dieser Aspekt des Wärmemanagements von Leistungselektronik nicht so innovativ ist wie neuartige Materialien innerhalb des Gehäuses, bietet er dennoch interessante Möglichkeiten für die Integration in das Gesamtfahrzeug. Viele Fahrzeuge nutzen denselben Kühlkreislauf für Leistungselektronik und Elektromotor. Beispielsweise kann bei einigen Modellen die Abwärme des Antriebsstrangs zur Beheizung des Fahrgastraums genutzt werden, wodurch Verluste reduziert und die Gesamtreichweite des Fahrzeugs, insbesondere bei Kälte, verbessert werden.
Die Entwicklung der Leistungselektronik, insbesondere hin zu Breitband-Halbleitern, verändert das Wärmemanagement und damit auch die Materiallandschaft in der Leistungselektronik von Elektrofahrzeugen. Der Bericht „Thermal Management for Electric Vehicles 2021–2031“ von IDTechEx behandelt verschiedene Anwendungsfälle in Leistungselektronik-Gehäusen für Elektrofahrzeuge und untersucht Trends bei Drahtverbindungen, Chipbefestigung und Substratmaterialien. Neben der Leistungselektronik befasst sich der Bericht mit Wärmemanagementstrategien für Batterien, Motoren und Leistungselektronik und enthält Marktprognosen bis 2031.
