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SiC für Elektromobilität

Vom Serienfahrzeug bis zum Rennwagen

8. Mai 2014, 9:28 Uhr | Tom Barbieri

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

SiC als Wettbewerbsvorteil

Eines der Halbleitermaterialien mit breiterer Bandlücke ist das bereits seit einiger Zeit verfügbare Siliziumkarbid (SiC). Die Leistungsvorteile von SiC wie etwa die erwiesene Hochspannungsfestigkeit, die hohe Stromstoßbeständigkeit und die bessere thermische Leitfähigkeit sind inzwischen allgemein bekannt. Diese Eigenschaften ermöglichen die Verwendung von SiC als Halbleitermaterial in unipolaren Schottky-Dioden bei hohen Spannungen (>1 kV). Silizium-Dioden müssen dagegen bei Spannungen über 300 V mit bipolarer Struktur hergestellt werden. Der entscheidendste Pluspunkt der unipolaren Diodenstruktur hat mit dem Wegfall der Sperrverzögerung zu tun [3]. Schottky-Dioden auf SiC-Basis verursachen deshalb beim Schalten nur minimale Verluste und schalten extrem schnell. Sie sind somit die erste Wahl, wenn es um die Wirkungsgradsteigerung schnell schaltender Anwendungen geht, wie sie im elektronischen Power Management für Elektrofahrzeuge vorkommen.

Existierende, mit Silizium-Leistungsdioden bestückte Gleichspannungs-Wandler müssen in mehrere Phasen aufgeteilt werden, damit in den einzelnen Phasen Bauelemente mit geringerer Stromtragfähigkeit verwendet werden können und das aufwendige Problem des potenziellen thermischen Durchgehens bei der Parallelschaltung mehrerer Silizium-Bausteine vermieden wird [4]. Bei SiC-Bausteinen tritt dieses Phänomen nicht auf. Die Zahl der Phasen kann deshalb verringert werden, so dass das System deutlich kleiner und einfacher wird, während sich die Gesamtzuverlässigkeit verbessert.

In einer jüngst durchgeführten Studie ersetzte ein Team bei Global Power Electronics die Silizium-PiN-Diode des Auf/Abwärts-Wandlers eines 6,6-kW-Ladegeräts durch eine SiC-Schottky-Diode, um ein Hybrid-Booster-Power-Modul aus IGBT und SiC-Schottky-Diode zu konfigurieren [5]. Diese Umrüstung bewirkt eine Steigerung des Systemwirkungsgrads um etwa 2 % gegenüber dem rein auf Silizium basierenden Modul. Der maximal registrierte Wirkungsgrad belief sich auf 96,4 %. Das Fehlen der Sperrverzögerungsverluste bei den SiC-Schottky-Dioden sorgt ferner dafür, dass die Schaltverluste nicht temperaturabhängig sind. Der Wirkungsgrad des Si/SiC-Hybridmoduls änderte sich deshalb beim Betrieb mit höheren Temperaturen nur wenig. Im Gegensatz dazu steigen die Schaltverluste bei rein Si-bestückten Modulen mit zunehmender Temperatur deutlich an. Für ein direktes Tauschteil sind die Leistungssteigerungen der Si/SiC-Hybridlösung beträchtlich.

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Die Verwendung von Siliziumkarbid kommt jedoch nicht nur den Lade- und Power-Management-Systemen zugute. Auch die Batteriesysteme von Elektrofahrzeugen nehmen viel Raum ein. Platz- und Gewichtseinsparungen an anderen Stellen im Fahrzeug, unter anderem im Leistungsregelungssystem, kommen unter dem Strich dem Fahrzeugwirkungsgrad zugute und vergrößern potenziell den Fahrgastraum. Die verbesserten thermischen Eigenschaften, der reduzierte Bauteileaufwand und die kleineren Bauelemente, die aus der Verwendung von SiC-Komponenten resultieren, haben dagegen insgesamt kompaktere Systeme zur Folge. Ein unlängst von Mitsubishi angekündigter Antriebssystem-Prototyp enthält einen eingebauten SiC-Wechselrichter und stellt einen der kompaktesten Antriebe dar, die es für Elektrofahrzeuge gibt [6].

Cree bietet SiC-Schottky-Dioden für 600 bis 1700 V an; die 1200-V-Dioden der C4D-Reihe sind bereits in Elektrofahrzeug-Ladegeräten verarbeitet. Cree gehört zu den wenigen Herstellern von SiC-Schottky-Dioden, die ihre Bausteine mit der Merged PiN Structure (MPS) [3] ausstatten, um eine extreme Stromstoßbeständigkeit auch bei intensivsten Fehlerereignissen zu erzielen. Beispielsweise konnte die MPS-basierte 1200-V/10-A-Diode C4D10120A eine Stromstoßfestigkeit von über 700 A bei 25 °C und einer Impulsdauer von 10 µs nachweisen (Bild).