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Elektromobilität / Yole Développement

Siliziumkarbid auf der Überholspur

25. Februar 2021, 16:30 Uhr   |  Ralf Higgelke

Siliziumkarbid auf der Überholspur
© Yole Développement

Getrieben von dem Wettrennen zwischen IGBT- und SiC-Modulen wird sich der Markt für Leistungshalbleiter in der Elektromobilität von 2020 bis 2026 verdreifachen. Zu diesem Ergebnis kommen die Marktforscher von Yole in ihrem Bericht »Power Electronics for E-Mobility 2021«.

Angesichts der strengen CO2-Reduktionsziele und der von mehreren Ländern angekündigten Ziele zur Klimaneutralität hat die Autoindustrie große Schritte in Richtung Elektrifizierung ihrer Fahrzeuge gemacht. Zwar unterscheidet sich die Strategie bei den einzelnen OEMs, insbesondere innerhalb der verschiedenen Regionen. Allen gemeinsam ist aber, dass sie den Anteil der batterieelektrischen Fahrzeuge (BEV) in ihrer Flotte erhöhen werden. Die Hybrid-Elektrifizierung bleibt eine Option für die kommenden zehn bis 15 Jahre, auch wenn sie die langfristigen Ziele der Klimaneutralität nicht erfüllt.

Yole Développement, Power Modules, Electromobility, Electric Vehicles
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Durch die verschärften Klimaziele hat sich die Elektrifizierung der Autos deutlich beschleunigt.

Der Halbleiteranteil pro Fahrzeug steigt mit dem Elektrifizierungsgrad, angefangen beim Hybridfahrzeug bis hin zum batterieelektrischen Auto. Daher verwundert es nicht, dass batterieelektrische Fahrzeuge die technische Weiterentwicklung vorantreiben, da die Kunden eindeutig eine große Reichweite bei kurzer Ladezeit und gleichzeitig niedrige Kosten erwarten. Wie die Marktforscher von Yole Développement in ihrem Bericht Power Electronics for E-Mobility 2021 detailliert beschreiben, gibt es mehrere Möglichkeiten, die Reichweite zu erhöhen, beispielsweise indem die OEMs das Batteriedesign optimieren oder den Wirkungsgrad der verschiedenen Umrichter im Auto steigern.

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Treiber und Impulsgeber für die Elektromobilität

Andererseits trägt das Bestreben nach kürzeren Ladezeiten dazu bei, dass weltweit Ladegeräte mit bis zu 350 kW eingesetzt werden. Um die mit solchen hohen Strömen verbundenen Herausforderungen zu bewältigen, geht der Trend hin zu höheren Batteriespannungen. Wenn diese von heute 400 V auf 800 V steigen, kann man schneller laden, was einen hohen Mehrwert für die Fahrzeugnutzer darstellt. Tatsächlich wurden 800-V-Batterien bereits von Porsche und Hyundai eingeführt, andere werden folgen.

Da der Hauptumrichter dann mit einer höheren Spannung arbeitet, müssen auch dessen Leistungshalbleiter auf höhere Spannungen ausgelegt sein, typischerweise auf 1200 V. Für die Zulieferindustrie eröffnet sich durch den Umstieg von Bauteilen mit 600 V bis 750 V auf solche mit 1200 V neue Geschäftsmöglichkeiten, während andere Zulieferer Einbußen hinnehmen müssen.

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Der Markt für Leistungshalbleiter im Bereich xEV wird sich von 2020 bis 2026 laut Yole verdreifachen.

Traktionsumrichter treibt das Marktwachstum

»Grundsätzlich gibt es drei Wandlertypen in einem Elektroauto: den Haupt- oder Traktionsumrichter, den DC-DC-Wandler für die verschiedenen Batteriespannungen und den On-Board-Charger«, erklärt Dr. Ana Villamor, Technology & Market Analyst, Power Electronics bei Yole. »Aufgrund der hohen Leistung bildet der Hauptumrichter den größten Markt, denn dort ist der Anteil an Leistungshalbleitern auch am höchsten.« Somit dürfte der Markt für Traktionsumrichter bis 2026 ein Volumen von 19,5 Mrd. US-Dollar erreichen, was 67 Prozent des Gesamtmarktes für EV/HEV-Wandler entspricht, wobei die jährliche Wachstumsrate (CAGR) bei 26,9 Prozent liegen soll.

Was den Markt für Leistungshalbleiter betrifft, so dürfte sich sein Volumen von 2020 bis 2026 verdreifachen, getrieben von dem technologischen Wettrennen zwischen IGBT- und SiC-Modulen (Siliziumkarbid). Zwar kosten SiC-Module derzeit noch etwa das Dreifache eines 650-V-IGBT-Moduls, aber dieser Unterschied wird schrumpfen, wenn größere Mengen produziert werden. Möglich machen dürfte dies der Umstieg auf 8 Zoll große SiC-Wafer und das Aufkommen von 1200-V-Bauelementen für höhere Batteriespannungen.

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Die Einführung des SiC-Umrichters im Tesla Model 3 und die Einführung der 800-V-Batterie haben das Vertrauen in die SiC-Technologie rasant gesteigert.

In den letzten Jahren und insbesondere seit Tesla im Model 3 den Hauptumrichter mit Siliziumkarbid (SiC) ausgerüstet hat, gab es viel Gerede über den Einsatz von SiC in Elektro- und Hybridfahrzeugen. Aber nicht alle Umrichter oder alle Arten der Elektrifizierung kommen für dieses teure Material in Frage. Zweifelsohne sind es vor allem batterieelektrische Autos, die aufgrund der Anforderungen an Reichweite und Ladezeit (Kilometer pro Ladezeit) die Nase vorn haben.

Daher amortisieren sich die höheren Kosten des Umrichters, da sich der Wirkungsgrad des Umrichters verbessert und somit an der ebenfalls teuren Batterie gespart werden kann. Daher überrascht es nicht, dass sich alle führenden OEMs die Verwendung von Siliziumkarbid im Hauptumrichter zum Ziel gesetzt haben. Akteure wie Daimler und Hyundai werden es bald in ihre Hauptumrichter integrieren. Wer wird der Nächste sein?

Bereits heute gibt es ein breites Portfolio an SiC-Bauteilen mit Chips von Infineon, Cree (Wolfspeed) und STMicroelectronics. Viele Halbleiterhersteller zielen auf SiC-Module für Anwendungen in Elektrofahrzeugen ab, und der Anteil des SiC-Modulmarktes am gesamten Markt für EV/HEV-Halbleiter wird bis 2026 voraussichtlich 32 Prozent erreichen.

Kampf um die Lieferketten

Wie das Team von Yole in dem Bericht analysiert hat, wird die Lieferkette für Elektro- und Hybridfahrzeuge weiterhin von der steigenden Nachfrage und den technischen Trends beeinflusst. Im Bereich EV/HEV dominieren die gleichen Chiphersteller wie bei den anderen Leistungsanwendungen, beispielsweise Infineon, STMicroelectronics, Hitachi, Mitsubishi Electric und ON Semiconductor. Aber auch andere Unternehmen, wie Tier 1s, Automobil-OEMs und reine Modul-Newcomer, bieten jetzt Leistungsmodule für EV/HEV an. Ähnlich verhält es sich mit der Entwicklung und Fertigung von Batterien, wo OEMs wie Tesla und GM weiter versuchen, ihre Lieferketten zu kontrollieren.

Dr. Milan Rosina, Principal Analyst, Power Electronics & Batteries bei Yole, meint dazu: »Der Wettbewerb auf OEM-Ebene hat zwei große Fronten eröffnet: Auf der einen Seite gibt es die traditionellen OEMs mit etablierten Märkten und bekannten Marken, die ihr Geschäft auf Elektrofahrzeuge umstellen. Auf der anderen Seite tauchen in den verschiedenen Regionen der Welt reine Elektrofahrzeug-OEMs auf. Dazu zählen zum Beispiel NIO, Rivian, Rimac, Xpeng und Hozon, von denen einige ihr Volumen Jahr für Jahr rapide steigern allen voran natürlich Tesla.«

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