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SiC, GaN und Si in der Elektromobilität

Verdrängung oder Koexistenz?

27. Juli 2020, 11:50 Uhr   |  Autor: Aly Mashaly; Redakteur: Ute Häußler

Verdrängung  oder Koexistenz?
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Noch beherrscht Silizium mit großem Abstand den Markt. Das soll sich mit dem weltweiten Trend zur Elektromobilität grundlegend ändern.

Werden Wide-Bandgap-Leistungshalbleiter Silizium-basierte Halbleiter wie IGBTs oder Si-MOSFETs komplett verdrängen? Welche Vorteile haben die jeweiligen Halbleitertechnologien und wie sehen mögliche Zukunftsszenarien für ein Zusammenleben von SiC-, GaN- und Silizium-Technologien im Auto aus?

Droht dem IGBT, der den Markt für Leistungselektronik in den vergangenen 40 Jahren dominiert hat, das gleiche Schicksal wie den Hochleistungs-Bipolar-Transistoren? Noch beherrscht Silizium mit großem Abstand den Markt. Das soll sich mit dem weltweiten Trend zur Elektromobilität grundlegend ändern.

Verliert die bewährte Si-Technologie am Ende den Kampf gegenüber der neuen Wide-Bandgap-Technologie (WBG)? Der weltweite Gesamtmarkt für WBG-Leistungs­halbleiter wird im Moment auf circa 600 Millionen US-Dollar geschätzt. Dies entspricht nur einem kleinen Bruchteil im Vergleich zum riesigen Si-Markt, der zuletzt auf einen zweistelligen US-Dollar-Milliardenbetrag anstiegen ist. Der Halbleiterhersteller Rohm geht davon aus, dass allein der SiC-Markt auf zwei Milliarden US-Dollar in 2025 anwächst. Die Elektromobilität wird bis 2025 mit einem Anteil von ungefähr 50 Prozent dazu beitragen.

Eckpfeiler der Elektromobilität

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Bild 1. Die Leistungselektronik ist die Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität.

Beim Elektroauto dreht sich alles um die Batterie, deren Reichweite, die Ladezeit und nicht zuletzt die Kosten. Je effizienter und kostengünstiger die Batterie wird, desto attraktiver wird die Elektromobilität für den Endverbraucher. In der Batterie steht gespeicherte Energie in Form von Gleichspannung mit mehreren hundert Volt zur Verfügung. Die Leistungselektronik als ein weiterer Eckpfeiler der Elektromobilität sorgt dafür, dass der Antriebstrang und angeschlossene Systeme mit dieser Energie versorgt werden. Sie ist damit eine Schlüsseltechnologie für den erfolgreichen Wandel einer ganzen Industrie (Bild 1) und muss schlaue Konzepte liefern, um der Elektromo­­bilität zum Durchbruch zu verhelfen. 

Die Verringerung von Energieverbrauch sowie von Energieverlusten ist eines der kritischsten Themen, um die notwendige Energieeffizienz für die Massenproduktion in der Elektromobilität zu erreichen. Leistungshalbleiter sind für die Funktion der Leistungselek­tronik von entscheidender Bedeutung. Neben den auf Silizium basierenden Technologien wie MOSFETs und IGBTs stehen heute zudem SiC- und GaN-Leistungshalbleiterbauelemente zur Verfügung.

Der Wirkungsgrad und die Rolle der Leistungselektronik

Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren variiert für verschiedene Motorentypen deutlich, besonders stark aber hängt er von den Betriebsbedingungen ab. Bei voller Last können Ottomotoren Werte von knapp über 35 Prozent erreichen. Große Dieselmotoren erreichen auch mehr als 40 Prozent, vor allem mit Direkteinspritzung und Turboaufladung. Trotz dieses geringen Wirkungsgrads kann mit einem 60-Liter-Tank eine Reichweite von etwa 1.000 Kilometern erreicht werden. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor hat der Elektromotor einen wesentlich höheren Wirkungsgrad von ca. 90 Prozent. Allerdings kann aufgrund der niedrigen Energiedichte der Hochvolt-Batterie eine Reichweite von 1.000 km nur schwer zu vertretbaren Kosten erreicht werden. Dieses Dilemma führt dazu, dass der Energieverbrauch von allen im Elektrofahrzeug eingebauten Komponenten und Systemen auf ein Minimum reduziert werden muss. Mit anderen Worten: Der Wirkungsgrad aller Systeme im Auto muss ohne wesentliche Mehrkosten erhöht werden. Die Anforderungen an die Leistungselektroniksysteme sind deshalb in den vergangenen Jahren deutlich gestiegen. Platzbedarf, Gewicht und Wirkungsgrad spielen eine erhebliche Rolle.

Leistungshalbleiter als Zugpferde der Elektromobilität

Die Effizienz herkömmlicher Leistungselektronik-Topologien variiert in der Regel zwischen 85 und 95 Prozent, zehn Prozent der elektrischen Energie gehen im Durchschnitt bei jeder Leistungsumwandlung als Wärme verloren. Der Wirkungsgrad der Leistungselektronik wird dabei hauptsächlich von den Merkmalen der Leistungshalbleiter selbst beschränkt, die Entwicklung von verlustarmen Hochspannungs-Leistungshalbleitern ist dementsprechend wichtig. Wird die Leistungselektronik als die Schlüsseltechnologie hinter der Elektromobilität betrachtet, ist die Halbleitertechnologie das Zugpferd für die Leistungselektronik – und somit der entscheidende Faktor für die gesamte Automobilindustrie.

Die physikalischen Eigenschaften der WBG-Halbleiter und deren Unterschiede gegenüber der Si-Halbleitertechnologie wurden in der Literatur mehrfach diskutiert. Im Vergleich zu Silizium-Halbleitern mit 0,3 MV/cm beträgt die elektrische Feldstärke von SiC 2,8 MV/cm und von GaN 3,5 MV/cm (Bild 2).

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Bild 2. Physikalische Eigenschaften der drei Schlüsseltechnologien Si, SiC und GaN.

Die höhere elektrische Feldstärke ermöglicht das Aufbringen einer dünneren Schichtstruktur, den sogenannten Epitaxie-Schichten auf dem Substrat. Somit verringert sich der Oberflächenwiderstand (RonA) des Bauteils, was zu einer beträchtlichen Reduzierung der Durchlassverluste führt. Die maximale Elek­tronen-Driftgeschwindigkeit bei SiC und GaN ist mehr als doppelt so hoch wie etwa bei Si-Halbleitern. Darüber hinaus weisen SiC und GaN kürzere Schalt­zeiten auf, was die Energieverluste bei den Schaltvorgängen signifikant verringert. Die jeweils kurzen Schaltzeiten beider Technologien ermöglichen die Verwendung hoher Schaltfrequenzen. Somit ist die Auslegung kompakterer passiver Komponenten wie Induktivitäten oder Kondensatoren realisierbar. Dennoch bleiben in manchen Systemen innerhalb von Elektro- oder Hybridfahrzeugen neueste Si-MOSFETs und IGBTs attraktive Alternativen in Bezug auf den Trade-off zwischen Kosten und Performance.

Batteriespannung versus Halbleitertechnologie

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Bild 3. Die Zellenstruktur von SiC und GaN hat Einfluss auf die Spannungsfestigkeit des Bauteils.

Die Halbleiterphysik sagt, dass sich der Oberflächenwiderstand (RonA) propor­tional zur Sperrspannung erhöht. Durch die spezifischen Eigenschaften von SiC verringert sich der Driftschicht-Widerstand bei hoher Spannung um den Faktor 1/300 im Vergleich zu Si. Diese besonderen Eigenschaften machen SiC sehr interessant für Hochspannungsanwendungen, bei denen es besonders wichtig ist, die Durchlassverluste thermisch zu bewältigen. Durch die laterale Zellenstruktur von GaN ist es schwierig, Hochspannungs-GaN-Bauteile zu entwickeln (Bild 3).

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Bild 4. Leistungshalbleiter für Hybrid- und Elektrofahrzeuge.

GaN-Halbleiter sind derzeit für Spannungsbereiche unterhalb von 600 V verfügbar. Auf der anderen Seite macht es technisch und kommerziell keinen Sinn, SiC-Bauteile für niedrige Spannungsbereiche unter 600 V zu entwickeln. Die Batteriespannung ist also das entscheidende Kriterium für die Auswahl des optimalen Leistungshalbleiters und dessen Spannungsfestigkeit (Bild 4).

In der Elektromobilität wird zwischen Mild-Hybriden, Plug-in-Hybriden, Serial-Hybriden, Brennstoffzellen und den Vollstromern, rein batteriebetriebenen Fahrzeugen, unterschieden.

Das Mild-Hybrid-Fahrzeug

Mild-Hybride sind mit einem Verbrennungsmotor und einem elektrischen Antrieb ausgestattet. So kann der Motor abgestellt werden,  wenn das Auto im Leerlauf fährt, bremst oder gestoppt wird, und danach dennoch schnell neu starten. Neben der herkömmlichen 12-V-Batterie ist eine zusätzliche 48-V-Batterie eingebaut. Bei Lastpunkt­anhebung wird der Energiefluss aus dem Verbrennungsmotor in die 48-V-Batterie verschoben (Lastpunktverschiebung). Genauso fließt die Energie beim Bremsen oder bei Schubrekuperation aus dem Verbrennungsmotor in beide Batterien. Ein Segelbetrieb kann durch den Elektromotor bis ca. 160 km/h ermöglicht werden. SiC kann in diesen Fahrzeugtypen keine Anwendung finden, da es keine SiC-Bauteile in diesem Spannungsbereich gibt und auch aus den genannten technischen und kommerziellen Gründen nicht geben wird. Im Gegensatz dazu ist der Spannungsbereich von 48 Volt in Mild-Hybriden für GaN und Si-MOSFETs geeignet.

Fahrzeuge mit Hochspannungsbatterien

400-V-Batterien

400 V ist der Spannungsbereich, in dem die Massenproduktion der Elektromobilität erwartet wird. Hier muss zwischen Plug-in-Hybriden und reinen Elektrofahrzeugen unterschieden werden. Die Hersteller definieren die Batteriegröße in kWh je nach Fahrzeugmodell. Im Spannungsbereich 400 V können mehrere Halbleitertechnologien koexistieren.

Antriebswechselrichter

Je nach Fahrzeugtyp und Klasse wird bei Plug-in-Hybriden ein Elektromotor von bis zu 150 kW und bei Vollstromern von bis zu 300 kW eingesetzt. In diesen Leistungsklassen sowie Spannungs­bereichen von ca. 450 V sollte der IGBT dank seines Preis-Leistungsverhältnisses weiterhin der dominante Halbleiter bleiben. Es dürfte schwierig sein, den IGBT in der nächsten Dekade durch andere Halbleitertechnologien komplett aus diesen Anwendungen zu verdrängen. Mit Sperrspannung von bis zu 750 V ist der IGBT die optimale Lösung für die meisten Automodelle.

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Bild 5. Systemlösung für Antriebswechselrichter.

Oberhalb von 80 kWh und einer Leistung über 150 kW wird der SiC MOSFET interessant für batteriebetriebene Fahrzeuge. Im Vergleich zu IGBTs kann der höhere Preis von SiC durch Einsparung von Batteriekosten kompensiert werden. Darüber hinaus kann SiC die Reichweite der Batterie erweitern. Für SiC-MOSFETs mit 750 V Sperrspannung sind mittlerweile ganze Systemlösungen erhältlich (Bild 5). Die Leistungselektronik-Community forscht ebenfalls daran, ob und wie auch GaN in diesem Anwendungsfeld einen Platz finden kann. Die Zeit wird zeigen, wie ausgereift GaN für die anspruchsvolle Applikation ist bzw. sein wird.

Batterieladegeräte

Bei den Batterieladegeräten (On Board Charger, OBC) dominiert bis heute die Si-Technologie. Seit den 2012er-Jahren werden auch SiC-Dioden in Batterieladegeräten verbaut. SiC-SBDs (Schottky Barrier Diods) setzen sich seitdem immer weiter gegenüber Si-Dioden durch. Seit dem vergangenen Jahr wollen auch SiC-MOSFET ihren Platz in OBC-Anwendungen finden. Der Halbleiterhersteller Rohm konnte bereits Fahrzeuge serienmäßig mit SiC-MOSFETs ausstatten.

Die erste Generation Batterielader für Plug-in-Hybridfahrzeuge war bei einem Leistungsbereich von 3,6 kW bzw. 6,6 kW begrenzt. Heute sind 11-kW- oder 22-kW-Varianten üblich. Leider steht dafür im Auto kein proportional größerer Bauraum zur Verfügung, somit sind OBC-Anwendungen eher vom Bauvolumen getrieben – auch wenn Effizienz wichtig ist, steht mehr der vordefinierte Platzbedarf und die da­raus resultierende hohe Leistungsdichte im Vordergrund. OBC-Anwendungen im 400-V-Spannungsbereich sind im Vergleich zu anderen Applikationen im Auto am härtesten von allen Halbleitern umkämpft. Sowohl IGBTs, Si-MOSFETs, SiC und GaN bieten Lösungen mit einer Sperrspannung von 650 V.

Für OBCs gibt es zwei Möglichkeiten des Energieflusses: unidirektional oder bidirektional. Bei der unidirek­tionalen Methode fließt die Energie aus dem Netz in die Batterie. Bei der bidirektionalen Variante fließt die Energie entweder vom Netz in die Batterie oder wird aus der Batterie ins Netz zurückgespeist. Bei diesen bidirektionalen Batterieladegeräten werden sich aufgrund der komplexen Systemanforderungen wahrscheinlich die WBG-Technologien SiC und GaN durchsetzen und den Kampf untereinander ausfechten. Langfristig ist stark davon auszugehen, dass die Silizium-Halbleiter aus OBCs verschwinden werden.

DC/DC-Wandler

Bei einem klassischen DC/DC-Wandler handelt es sich um einen Umwandler in einer Leistungsklasse von ca. 3 kW. Dieser Leistungselektronikbaustein wandelt die Spannung aus der Hochvoltbatterie in 12 V um, um das Bordnetz und dessen Anwendungen zu versorgen, etwa für Infotainment. Bis heute prägt die Si-Technologie diese Anwendung. SiC-MOSFETs wurden bis jetzt in spe­ziellen Fällen auf der Primärseite eingesetzt. Interessant wird es, wenn der DC/DC-Wandler zukünftig zusammen mit dem OBC in ein gemeinsames Gehäuse integriert wird. Ziel der Zu­sammenführung ist die Reduzierung der Gesamtkosten, die Verheiratung wird aber sicherlich auch dazu führen, dass künftig SiC- und GaN zum Einsatz kommen.

Für Brennstoffzellen oder um die Spannung für große Batterien  über 100 kWh anzupassen, werden On-Bord-Hochleistungs-DC/DC-Wandler mit über 100 kW eingesetzt. In diesen Fällen ist SiC die optimale Lösung. IGBTs haben hier aufgrund der hohen Anforderung an die Leistungsdichte keine Chance.

Klimakompressoren

Klimakompressoren werden mit einem Elektromotor angetrieben, dessen Drehzahl durch einen dreiphasigen Wechselrichter geregelt wird. Die Leistungsklasse variiert je nach Fahrzeugtyp von 3 kW bis 10 kW. Bis jetzt wird diese Anwendung durch IGBTs dominiert. Aufgrund der stark gestiegenen Systemanforderungen, wie hohe Inte­gration im Motorgehäuse und die da­raus resultierende thermische Belastung, wird sich dies zukünftig ändern. SiC-Bauteile haben mit ihren hervorragenden physikalischen Eigenschaften, wie der hohen thermischen Leitfähigkeit, einen großen Vorteil gegenüber IGBTs und auch GaN.

Spezielle Anforderungen von HV-Heizern

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Bild 6. Funktionsweise eines HV-Heizers in einem Elektrofahrzeug.

Da Elektromotoren deutlich effizienter als herkömmliche Verbrennungsmotoren sind, reicht deren Motorabwärme nicht mehr aus, um den Fahrzeuginnenraum ausreichend zu beheizen. Dafür muss jetzt Batterieenergie in Wärme umgewandelt werden. Um die Heizung einstellen zu können, ohne dass sie von der Betriebstemperatur- oder Batteriespannung abhängig ist, kommen in neuen Hochvoltheizern Leistungshalbleiter (IGBT) zum Einsatz. Die IGBTs regeln den Energiefluss von der Batterie bis zum Heizelement. Das Heizelement (resistive Last) erhitzt das Kühlmittel, das mit der Klimaanlage des Fahrzeugs über einen Wärmetauscher verbunden ist. Mit einem Gebläse wird die warme Luft in die Kabine befördert (Bild 6).

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Bild 7. Einschaltvorgang eines IGBTs (RGS80TSX2DHR) bei resistiver Last und RG = 1.1 kΩ.

Ein normales Elektrofahrzeug benötigt eine Heizleistung zwischen 5 und 7 kW, die verwendeten Leistungsschalter sind daher ausschließlich IGBTs. Die Technologie bietet eine sehr gute Durchlass-Charakteristik für hohe Ströme. Die höheren Schaltverluste sind im Vergleich zu MOSFETs nicht relevant, da die Schaltfrequenzen üblicherweise zwischen einem zweistelligen Hertz-Bereich bis zu ein paar Kilohertz liegen. Außerdem sind diese Bauteile in Spannungsklassen von 650 V und 1200 V verfügbar. Beide Klassen werden für die gängigen Heizsysteme in E-Autos benötigt.

Ein spezielles Merkmal der Heiz­anwendung ist die Schaltgeschwindigkeit (dVCE/dt, dIC/dt), welche vom System vorgegeben ist. Im Gegensatz zu fast allen anderen Leistungselek­tronikanwendungen ist sie meist auf einen niedrigen Wert begrenzt, da das möglichst schnelle Ein- und Ausschalten nicht im Vordergrund steht. EMV-Beschränkungen und der kostensparende Verzicht auf Filter sind weitere Gründe. Für die Begrenzung werden die IGBTs einfach beim Schalten gebremst, um die Gleichtaktstörung aus dem hochfrequenten Inhalt der Schaltflanken zu reduzieren. Diese Lösung verursacht im IGBT höhere Verluste während des Schaltens, benötigt jedoch keine zusätzlichen Komponenten. Die erhöhten Verluste können mit einer Reduzierung der Schaltfrequenz kompensiert werden. Die Schaltzeiten befinden sich im Bereich von einstelligen Mikrosekunden (Bild 7). In seltenen Fällen werden Zeiten im unteren zweistelligen Bereich erzielt.  Für HV-Heizer ist sehr unwahrscheinlich, dass WBG-Technologien auf­grund der speziellen Merkmale der Anwendung jemals eine Rolle spielen werden. Der IGBT kann hier nicht verdrängt werden.

800-V-Batterien

Noch vor fünf Jahren wurde stark darüber diskutiert, ob die Spannungsklasse 800 V überhaupt eine Zukunft haben wird. Heute ist die 800-V-Batterie nicht mehr wegzudiskutieren. Allein um die Ladezeit auf der Autobahn zu reduzieren, ist sie derzeit die ideale Lösung, und bietet sich ausschließlich für  rein batteriebetriebene Fahrzeuge an. Nach momentanem Forschungsstand wird dafür SiC das Maß aller Dinge sein. Dies gilt nicht nur für den Antriebswechselrichter, um die Effizienz des Antriebs­strangs zu erhöhen, sondern auch für weitere Systeme, wie z.B. DC/DC-Wandler auf der Batterieseite, Klima-Kompressoren und Batterieladegeräte.

Der weitere Pfad

IGBTs werden in spezifischen Applikationen des Automobilbereiches durch die neuen WBG-Halbleiter verdrängt, doch sie werden sicher nicht das gleiche Schicksal wie der Bipolar-Transistor erleben. Die Elektromobilität ist wahrscheinlich die einzige Anwendung in der Leistungselektronikindustrie, in der alle Leistungshalbleitertechnologien koexistieren werden.

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Aly Mashaly

Der Autor

Aly Mashaly ist Direktor der Sparte Power Systems bei Rohm Semiconductor in Willich. Er ist Experte für Leistungselektronik, speziell in Hochvolt-Anwendungen, und
hat lange als Entwicklungsinge­nieur und im Bereich E-Mobilty gearbeitet. Mashaly hält einen Bachelor in Elektrotechnik der Universität Ain-Shams, Kairo, und einen Master in Elektrotechnik der Leibniz-Universität Hannover. 

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