Leistungshalbleiter in der Automobilbranche

Im Durchschnitt enthalten Autos mit Verbrennungsmotoren Halbleiter im Wert von 350 US-Dollar. Bei Elektro- und Hybrid-Autos verdoppelt sich der Wert des Halbleiter-Contents einer Berechnung der Wirtschaftswoche zufolge auf 700 Dollar. Damit zeigt sich: Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs wirkt wie ein Turbo auf die Halbleiternachfrage. Im Vordergrund stehen dabei Leistungshalbleiter. Von Mild Hybrid bis vollelektrisch – alle diese Konzepte erfordern den massiven Einsatz von Leistungselektronik. Das nicht nur, weil die die Steuerung der Elektromotoren im Antriebsstrang Lösungen auf Halbleiterbasis erfordert, sondern auch weil neue Anwendungsbereiche hinzukommen. Die zunehmend verbreitete 48-Volt-Technik als zweite Spannungsebene neben dem herkömmlichen 12-Volt-Netz hat nur auf den ersten Blick nichts mit Elektromobilität zu tun: Sie dient in erster Linie der Elektrifizierung der Nebenaggregate des Verbrenners, wie Kühl- und Schmiermittelpumpe oder elektrische Verdichter. Damit aber bereitet sie dem dem Hybridantrieb den Weg. Auch Aktuatoren elektronischer Karosseriestabilisierungssysteme und Klimaanlagen laufen auf diesem Spannungslevel – allesamt Aggregate, die auch in vollelektrischen Fahrzeugen zu finden sind.

Halbleiter in der E-Mobilität

Ein weiteres Anwendungsgebiet, welches die Elektromobilität (Hybrid ebenso wie vollelektrisch) der Halbleiterbranche beschert, ist das Batteriemanagement: Fahrbatterien bestehen aus dutzenden bis hunderten von Batteriezellen. Um die Energieausbeute, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Zellenanordnungen zu optimieren, sind umfangreiche Batteriemanagementsysteme (BMS) erforderlich, die ebenfalls Leistungstransistoren enthalten. Ein weiteres Einsatzfeld für Leistungshalbleiter in der Elektromobilität stellt die Beleuchtung dar. Schließlich sind so gut wie alle Elektrofahrzeuge aus Gründen der Energieeffizienz und neuer Lichtfunktionen wie Tagfahrlicht und Pixellicht mit Lichttechnik auf LED-Basis bestückt. Und die erfordert nun einmal ausgefeilte Stromregelungen. Last but not least benötigt auch die Ladeinfrastruktur für die Elektrofahrzeuge leistungselektronische Bauelemente. Alles in allem also ein breites Spektrum zusätzlicher Anwendungen für die Hersteller von Leistungshalbleitern. Wie bewerten diese die Marktentwicklung, welche Trends treiben den Markt?

„Die Elektrifizierung kommt jetzt allmählich in der Volumenproduktion an“, konstatiert Hans Adlkofer, der bei Infineon die Systems Group Automobilelektronik leitet. „In Europa betrifft das in erster Line Plug-In-Hybrid-Fahrzeuge (PHEVs), daneben auch batterie-elektrische Modelle (BEVs). Auch in Asien sind PHEVs gegenwärtig auf dem Vormarsch; dort beobachten wir allerdings unterschiedliche Integrationskonzepte.“

Ladeinfrastruktur vorantreiben

Impulse kommen auch aus dem Bereich Ladeinfrastruktur. Die langen Ladezeiten in der Größenordnung von acht Stunden für das vollständige Aufladen einer Traktionsbatterie über einen herkömmlichen Wechselstromanschluss gelten als eine der wichtigsten Hürden für eine Akzeptanz von Elektrofahrzeugen auf breiter Front. Eine zweite Hürde sind die kurzen Reichweiten. Um die zu erhöhen, sind aber noch höhere Batteriekapazitäten erforderlich – was wiederum die Ladezeiten tendenziell verlängert. „Die Kunden erwarten eine Reichweite von 600 km; die Ladeinfrastruktur wird daher ein zunehmend wichtiges Thema“, kommentiert Adlkofer. Es sei daher damit zu rechnen, dass die Spannungen an den DC-Ladestellen von heute 350 Volt auf 900 bis 1200 Volt steigen werden. Das gleiche gelte auch für die Fahrbatterien. Große OEMs, die sich im Bereich der Elektromobilität positionieren, wie Audi oder Porsche verlangen Ladestellen mit Leistungen bis zu 350 Kilowatt. „Die elektronischen Komponenten dafür haben wir“, erklärt Adlkofer. „Eventuelle Limitierungen sehen wir eher im Bereich der Netzstruktur“. Um die Entwicklung einer standardisierten Ladeinfrastruktur voranzutreiben, ist Infineon kürzlich der Industrieinitiative CharIN (Charging Interface Initiative) beigetreten, der neben wichtigen Fahrzeugherstellern auch Zulieferer und Halbleiterproduzenten angehören.

Elektrisch statt hydraulisch

Auch die 48-Volt-Ebene ist für Infineons Geschäft von großer Bedeutung, unterstreicht Adlkofer. „Auf dieser Ebene spielt sich neben dem Antriebsstrang der zweite Teil der Elektrifizierung des Autos ab“, so der Infineon-Manager. Der Trend geht dahin, bisher per Hydraulik oder Unterdruck betriebene Systeme wie Lenkung, Pumpen und dergleichen mehr durch elektrisch betriebene Systeme zu ersetzen.

Die Anwendungen, die auf dieser Ebene laufen, sind technisch durchaus anspruchsvoll. Beispiel: Elektrische Fahrwerksregelungen und Wankstabilisatoren erfordern Motoren, die im Millisekundenbereich reagieren. Die elektronischen Regelbausteine für solche Motoren müssen daher in der Lage sein, mit kurzen, hohen Leistungsspitzen fertig zu werden. Das gilt sowohl für Signalverarbeitung als auch für Treiber und Stellglieder. „Unser Ziel ist es, für jede dieser Anwendungen eine Art Chipset anzubieten,“ sagt Adlkofer. „Das ist es, was wir mit Systemverständnis meinen.“

Joe Notaro (On Semiconductor): „Die Spannungen werden auf 600 bis 800 V, in Einzelfällen sogar bis 1200 V steigen.“ Infineon

Auch im Bereich des Battery Management gibt es neue Entwicklungen. Hier tritt gegenwärtig das Monitoring der einzelnen Zellen gegenüber dem altbekannten Load Balancing in den Vordergrund. „Das findet aber im Moment noch hauptsächlich auf der Ebene von Forschung und Entwicklung statt“, erklärt Adlkofer.

IGBTs verbessern

Und wie soll es weitergehen? In Zukunft werden die Bauteile noch kompakter werden müssen. Mehr Leistung auf kleinerem Raum, heißt Infineons Devise. Dazu wird das Unternehmen neue Varianten der verbreiteten Leistungstransistor-Gattung IGBT entwickeln. Diese werden beispielsweise den Verzicht auf Wasserkühlung bei DC/DC-Wandlern möglich machen. Diese Entwicklungen, die gegenwärtig laufen, zielen auf eine dreifache Verbesserung gegenüber heutigen Angeboten: Sie werden kompaktere und gleichzeitig preiswertere Lösungen ermöglichen. Und zudem höhere Zuverlässigkeit „Zero Defects ist immer unser Ziel“.

Neue Materialien

Auch bei den Materialien geht die Reise weiter. Im Auto-Umfeld bietet Infineon Bauelemente auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) gegenwärtig für den Einsatz in Ladegeräten an, aber dabei wird es nicht bleiben. „SiC wird das Halbleitermaterial für das Auto, ist allerdings noch recht teuer“, erklärt Adlkofer. „Aber neue Techniken sind am Anfang immer etwas teurer. Es ist eben eine Abwägungsfrage, ob und wann man solche innovativen Bauelemente einsetzen will.

Galliumnitrid (GaN), der zweite Stoff, dem die Halbleitertechnologen eine große Zukunft voraussagen, ist aus Infineons Sicht noch nicht im Auto angekommen. Nicht so sehr die Kosten sind hier gegenwärtig das Ausschlusskriterium, sondern die Zuverlässigkeit – Stichwort „Zero Defects“. Wann GaN-Leistungstransistoren für das Fahrzeug Mainstream werden, lasse sich schlecht vorhersagen, so Adlkofer. Vor 2020 sollte man aber jedenfalls nicht damit rechnen.

48-Volt-Technik von Rohm

Diese Module (im Bild: Ein Sixpack von Infineon) steuern den gesamten Motorstrom und müssen daher für sehr hohe Leistungen ausgelegt sein. Infineon

Als interessante Technik zum Übergang auf vollelektrische Mobilität bezeichnet Alessandro Maggioni, Technical Marketing Manager beim Infineon-Konkurrenten Rohm, die 48-V-Technik, denn sie ermögliche die Implementierung modularer Topologien. Das Unternehmen ist mit einem breiten Angebot von MOSFETs und Dioden im 48-Volt-Segment tätig. Gegenwärtig entwickelt Rohm einen neuen DC/DC-Wandler mit einer hohen Schaltfrequenz von 2 MHz, der das Kostenniveau von Anwendungen durch den Verzicht auf externe Bauelemente senken soll. Im Bereich der BMS geht Rohm laut Maggioni gerade an die Startblöcke. Der Halbleiterhersteller stellt aktuell zwar Produkte für das Cell Balancing her, jedoch – noch – nicht für die Anwendung im Auto. „Wir haben vor, auch diesen Markt zu bedienen“, sagte Maggioni, ohne sich allerdings auf einen Zeithorizont festzulegen.

Zusammenarbeit: Leistungshalbleiter für Formel-E

Bei SiC sieht sich Rohm als einen der Technologieführer; unter anderem hat Rohm SiC-Dioden und –MOSFETs im Programm. Gegenwärtig ist Rohm mit der Einführung der dritten Produktgeneration beschäftigt. Erfahrungen für die Weiterentwicklung der Technik sammelt das Unternehmen unter anderem über seine Kooperation mit dem Formel-E-Rennstall Venturi. „Die Erkenntnisse, die wir heute in der Formel-E gewinnen, werden wir morgen in den Bau von Serienautos einbringen,“ sagt der Rohm-Manager. Die Verwendung von Galliumnitrid werde zurzeit geprüft, aber das Material sei momentan noch nicht für Auto-Anwendungen geeignet.

Keine Toleranz für Fehler

Eine alles überragende Bedeutung misst Maggioni dem Aspekt der Zuverlässigkeit bei. Im Fahrzeug arbeiten Halbleiter in einer extrem unwirtlichen Umgebung. Vibrationen, elektrische Störimpulse, eine schwankende Versorgungsspannung mit ausgeprägten Spitzen nach oben und unten, arktische und tropische Temperaturen dürfen den Transistoren, Dioden und ICs nichts ausmachen. Fehlerquoten im PPM-Bereich (ein Fehler auf eine Million Produkte) sind Rohm noch zu viel. „Wir streben zero defects an“, versichert Maggioni. „Inbesondere in sicherheitsrelevanten Anwendungen darf nichts ausfallen.“ Und wie erreicht man das? „Design, Herstellungsprozess und Packaging müssen darauf optimiert sein“, erklärt der Halbleiterexperte. Auch das Testverfahren spielt eine Rolle: Transistoren und Dioden, die für die Verwendung im Auto vorgesehen sind, werden rigorosen Stresstests unterzogen, was natürlich Auswirkungen auf die Kosten für solche Bauteile hat. In der Beherrschung der gesamten Wertschöpfungskette vom Rohsilizium bis zum Test des fertigen Produkts sieht Maggioni das Alleinstellungsmerkmal seines Unternehmens.

Trend: Energetische Effizient

Joe Notaro, Senior Director EMEA Automotive beim Halbleiterhersteller ON Semiconductor, empfindet die Forderung nach höherer energetischer Effizienz als den spannendsten Trend in der Fahrzeugentwicklung. Denn aus diesem Anspruch resultieren diverse Konsequenzen auch für die Halbleiter, die in den Autos eingesetzt werden: Sie zwingen die Halbleiterwirtschaft, immer effizientere CMOS-Transistoren und IGBTs zu entwickeln. Auch das Packaging muss sich an der Anforderung der Energieeffizienz orientieren. Elektrische wie thermische Leitfähigkeit sind wichtige Entwicklungsziele; sogar Gewicht und Abmessungen der Bauelemente müssen schrumpfen.

On Semi setzt auf GaN und SiC

Hans Adlkofer (Infineon): „SiC wird das Halbleitermaterial für das Auto, ist allerdings noch recht teuer.“ On Semiconductor

In der „absolut relevanten“ 48-Volt-Technik hat ON Semiconductor laut Notaro unter anderem durch die Übernahme von Fairchild Semiconductor seine strategische Position verbessern können. Die Weiterentwicklung elektrischer Fahrzeuge wird aus Sicht Notaros begleitet von einem Trend zu höheren Batteriespannungen. „Die Spannungen werden auf 600 bis 800 Volt, in Einzelfällen sogar bis 1200 Volt steigen“, prophezeit der Manager. Um diese Anforderungen zu bedienen, entwickelt das Unternehmen IGBTs der 3. und 4. Generation sowie Superjunction MOSFETs. In den neuen Materialien SiC und GaN ist ON Semi ebenfalls engagiert, SiC-MOSFETs seien noch in diesem Jahr zu erwarten. In der Praxis resultiere daraus eine höhere Schaltfrequenz und damit kleinere Abmessungen der Geräte. Außerdem vertragen die neuen Bauteile höhere Betriebstemperaturen. Indirekt trägt das zur Gewichtsersparnis bei, denn so lässt sich der Kühlaufwand in Form von Ventilatoren und Kühlrippen reduzieren. Dioden in SiC-Technik sind bereits verfügbar, mit GaN ist ON Semi zurzeit in industriellen Anwendungen präsent, man sei dabei, Use Cases für das Auto zu identifizieren. Dabei werde der richtige Preispunkt im Mittelpunkt stehen: Auch wenn die einzelnen Bauelemente teurer seien als konventionelle Ausführungen, sollen sie insgesamt preiswertere Systeme ermöglichen. Ein Ziel für ON Semiconductor dabei ist die Erschließung von Skaleneffekten. Dazu beabsichtige das Unternehmen die SiC- und GaN-Produkte im eigenen Haus zu fertigen, sagte Notaro. Die Fairchild-Übernahme habe das Unternehmen dazu befähigt, mehr Komponenten in Leistungsmodule zu integrieren und deren Pin Count zu reduzieren. „Höher integrierte Gate-Driver verbessern die Leistung, sie helfen, die Schaltverluste zu senken und die Abmessungen zu verringern“, sagt der Manager.

(av)