SiC für Elektromobilität Vom Serienfahrzeug bis zum Rennwagen

SiC verbessert den Wirkungsgrad in Elektro- und Hybridfahrzeugen.
SiC verbessert den Wirkungsgrad in Elektro- und Hybridfahrzeugen.

Die Zahl elektrobetriebener Fahrzeuge steigt weltweit stetig an. Auch hier wird es zu einem Wettbewerb zwischen den Herstellern kommen: Leistungsfähigkeit und Reichweite werden zu Schlüsselparametern. Eine zentrale Rolle dabei wird die Leistungselektronik spielen. SiC-Leistungshalbleiter verleihen Fahrzeugen mit Elektro- und Hybridantrieb einen maximalen Wirkungsgrad.

Die Kraftstoffkosten steigen, der Kraftstoffverbrauch wird immer stärker reglementiert und die Umweltfreundlichkeit rückt zunehmend in das öffentliche Bewusstsein. Somit überrascht es nicht, dass die weltweite Nachfrage nach Fahrzeugen mit Hybridantrieb, Plug-in-Hybridantrieb oder reinem Elektroantrieb kontinuierlich wächst. Jahr für Jahr kommen neue Modelle auf den Markt und der Wettbewerb zwischen den Herstellern wird schärfer. Deshalb werden die Automobilhersteller die Leistungsfähigkeit ihrer Elektrofahrzeuge schon bald nicht mehr mit denjenigen konventioneller Modelle mit Verbrennungsmotor vergleichen, sondern mit der Leistung der Elektrofahrzeuge der Konkurrenz. Ist die allgemeine Akzeptanz erst einmal erreicht, müssen die Hersteller im nächsten Schritt den Wirkungsgrad ihrer existierenden Systeme weiter verbessern, um im Pool der angebotenen Elektrofahrzeuge weiter ganz vorn dabei sein zu können.

Bei den elektromechanischen Systemen, die über das Verhalten der Hybrid- und Elektrobauteile eines typischen Elek­trofahrzeugs entscheiden, gibt es mehrere Möglichkeiten zur Leistungssteigerung. In einem Hybridfahrzeug koordiniert ausgefeilte Leistungselektronik den Energiefluss zwischen dem Verbrennungsmotor, dem Energiespeicher und dem Energiebedarf am Rad. Die Ladegeräte sind ebenfalls entscheidend für die Akzeptanz der Elektrofahrzeuge, denn deren Besitzer möchten sie an leicht zugänglichen Steckern schnell aufladen und wünschen sich zudem zuverlässige und langlebige Ladesysteme. Entscheidend für ein zügiges Laden sind ein hoher Wirkungsgrad des Leistungswandlers, die Eignung für hohe Betriebstemperaturen und eine hohe DC-Ladespannung [1, 2].

Alle genannten Systeme basieren auf elektronischen Leistungswandlern. Deshalb ist das Design fortschrittlicher, hocheffizienter AC/DC- und DC/DC-Wandler der nächste Schritt in den Bemühungen, den Gesamtwirkungsgrad der Fahrzeuge zu verbessern. In den meisten Elektrofahrzeugen finden sich konventionelle Wandlersysteme auf der Basis von Silizium-Bauelementen, deren Spannungs- und Leistungsfestigkeit begrenzt ist. Damit ein neues Leistungs- und Effizienzniveau erreicht werden kann, müssen diese Systeme auf Halbleiter aus Materialien mit breiterer Bandlücke umgerüstet werden, die sich durch hohe Leistungsdichte, eine hohe Durchbruchspannung, eine höhere Wärmeleitfähigkeit und niedrigere Leckströme auszeichnen. Halbleiter aus Materialien mit größerer Bandlücke werden die Energieeffizienz verbessern helfen, da die Wandlersysteme mit höheren Spannungen und Schaltfrequenzen arbeiten können [1]. Diese Bauelemente sind zwar teurer als herkömmliche Silizium-Halbleiter, führen aber zu insgesamt niedrigeren Systemkosten. Zum Teil begründet sich dies aus der Tatsache, dass die höhere Wärmeleitfähigkeit des Materials mit breiterer Bandlücke das Verwenden kleinerer Kühlkörper und möglicherweise sogar den Verzicht auf Lüfter erlaubt.