Der Trend zu SiC in der Elektrifizierung

Die Automobilindustrie ist auf dem Weg in eine nachhaltigere Zukunft: Immer mehr Hybrid- (HEV) und vollelektrische Fahrzeuge (EV) sowie Autos mit Brennstoffzellenantrieb kommen auf den Markt. Die Elektrifizierung kritischer Funktionen erfordert zuverlässige Lösungen zur Erzeugung, Verteilung und Steuerung von Hochenergie-Systemen. Mit der Zunahme der im Fahrzeug gespeicherten und genutzten elektrischen Energie steigt auch der Bedarf an Leistungsdichte und Effizienz. Für einen effizienten und zuverlässigen Betrieb elektrischer Subsysteme ist eine effektive Überwachung und Steuerung unerlässlich. Halbleiterlieferanten wie Microchip bieten ein breites Portfolio an Hard- und Software, integrierten Entwicklungswerkzeugen und hocheffizienten Stromversorgungslösungen auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) an, um Weiterentwicklungen in EV- und HEV-Systemen zu ermöglichen.

Von Silizium zu SiC

Entwickler von Automobil-Subsystemen arbeiten ständig an Lösungen, um die Reichweite bei Elektrofahrzeugen zu steigern und die Ladezeit zu verkürzen. Dabei stoßen sie in Bezug auf Größe, Gewicht und Leistungseffizienz an die Grenzen der Siliziumtechnologie und wechseln zu SiC-Lösungen, um diese Herausforderungen zu meistern. SiC-Bauelemente haben gegenüber Silizium einen geringeren Einschaltwiderstand, höhere Schaltgeschwindigkeiten und die Fähigkeit, größeren Spannungen und Strömen bei höheren Sperrschichttemperaturen standzuhalten. Ein weiterer wichtiger Vorteil von SiC: Dank seiner geringeren Größe ermöglicht es eine höhere Leistungsdichte, was für viele wichtige EV-Anwendungen entscheidend ist. So überrascht es nicht, dass der Automobilmarkt für Wide-Bandgap SiC-Leistungshalbleiter (WBG) laut Omdia (SiC power semiconductors by application, 2022 Mid Case report) bis 2030 um das Dreizehnfache seines derzeitigen Wertes von 1 Mrd. US-Dollar wachsen soll.

800-V-Fahrzeugkonzepte

Der Trend zu höheren Spannungen wie 800 V in Elektrofahrzeugen erfordert neue Designs für Traktionswechselrichter, DC-DC-Wandler, Onboard-Ladegeräte sowie Kompressoren für Wärmepumpen und Brennstoffzellen. Aufgrund ihrer robusten Leistung eignen sich Hochspannungs-SiC-MOSFETs und -Dioden gut für Elektrofahrzeuge, insbesondere für kommerzielle und Off-Road-Anwendungen, bei denen Verfügbarkeit entscheidend ist.

Das bestehende Netz an 400-V-Ladeinfrastruktur für herkömmliche Fahrzeuge muss auch die neueren 800-V-Fahrzeugkonzepte unterstützen. Der wachsende Bedarf an hohen Spannungen hat zur Entwicklung von Booster-DC-DC Modulen im Auto geführt, mit denen sich die System-Spannungen zusammenführen lassen.

Halbleiter-Schutzschalter

SiC-Technologie kann auch als Schaltelement in einem elektronischen Schutzschalter oder einer E-Fuse fungieren, um elektrische Komponenten im Fahrzeug zu schützen und Fehlerereignisse zu diagnostizieren, bevor es zu ernsthaften Ausfällen kommt. Durch verbesserte Diagnose- und Konfigurationsmöglichkeiten lassen sich im Vergleich zu mechanischen Lösungen Ausfallzeiten für Reparaturen und Kosten einsparen.

Daneben gibt es einen Bedarf an schnelleren DC-Ladeinfrastruktur für eine Schnellladung von Fahrzeugen. Dies ist besonders wichtig für kommerzielle Anwendungen von Lastwagen und Bussen bis hin zu Bergbau- und Baumaschinen, die möglichst lange in Betrieb sein müssen.

Der Einsatz von SiC für elektronische Schutzschalter bietet gegenüber herkömmlichen Lösungen für den Stromkreisschutz etliche Vorteile. Die Technologie ermöglicht ein schnelles Schalten mit Hilfe eines per Software konfigurierbaren Auslöseprofils, z. B. über eine LIN-Schnittstelle; so kann sie einen Stromkreis innerhalb von Mikrosekunden unterbrechen, was aufgrund des Solid-State Hochspannungsdesigns 100–500-mal schneller ist als herkömmliche mechanische Methoden.

E-Fuse-Technologie

Die E-Fuse lässt sich zurücksetzen, so dass ein Austausch physischer Sicherungen nicht erforderlich ist - eine zuverlässige, langfristige Lösung bei regelmäßigen Unterbrechungen eines Stromkreises. Die potenziellen Risiken von Lichtbögen beim Schalten von Hochspannungs-Gleichströmen mit mechanischen Kontakten entfallen beim Einsatz einer Solid-State-E-Fuse-Lösung.

Der E-Fuse-Technologie-Demonstrator des Halbleiterlieferanten mit 700-V- und 1200-V-mSiC-MOSFET-Schaltern kombiniert Strommessung, Verstärker, LIN-Schnittstelle und einen 8-Bit-PIC-Mikrocontroller mit Core-unabhängigen Peripherieelementen zu einer vollständigen und hoch integrierten Lösung. Alle Komponenten sind mit AEC-Automotive-Qualifikation erhältlich. Dieses Design nutzt eine TCC-Kurve (Time-Current Characteristic), die Entwicklern den Übergang von herkömmlichen Sicherungen oder Schützen erleichtert, und hat eine Kurzschlussfestigkeit von bis zu 10 µs bei einem Nennstrom von bis zu 30 A.

Schnelles Aufladen

Elektrofahrzeuge, Nutzfahrzeuge und Geländewagen benötigen eine Schnellladefunktion. Während ein Auto über Nacht zum Aufladen in der Einfahrt stehen kann, müssen Busse oder Baumaschinen den ganzen Tag oder die ganze Nacht über effektiv arbeiten. In diesen Bereichen nutzt man Batteriesätze mit 800 V oder sogar 1000 V, um die Leistung bereitzustellen, die für größere Fahrzeuge mit schweren Lasten erforderlich ist.

Diese Designs für Onboard-Ladegeräte brauchen eine höhere Leistung - hier stellt SiC-Technologie eine geeignete Lösung dar. Mit Bauelementen, die für Spannungen von 1200 V und sogar 1700 V ausgelegt sind, haben Entwickler mehr Gestaltungsspielraum. Dies ermöglicht eine höhere Spitzenleistung des Fahrzeugs, weniger Redundanz und eine einfachere Produktion der Komponenten. Dank des höheren Wirkungsgrads von SiC im Vergleich zu Silizium-IGBTs sind zudem kleinere Kühlkörper erforderlich, was das Gewicht des Fahrzeugs reduziert.

Ein Technologiedemonstrator eines isolierten DC-DC-Wandlers mit 30 kW ist verfügbar, der auf 1200-V-mSiC-MOSFETs mit Avalanche-Rating und 1200V-mSiC-Doppeldioden beruht. Bei diesem Design liegt der Spitzenwirkungsgrad bei > 98 Prozent, die Eingangsspannung reicht von 650-750 V und die Ausgangsspannung von 150-600 V bei maximal 50-60 A, die Schaltfrequenz beträgt 140 kHz aus. Das PCB-Layout ist auf Sicherheit, hohe Stromstärke, mechanische Belastung und Störfestigkeit ausgelegt.

Darüber hinaus gibt es ein dreiphasiges 30-kW-PFC-Referenzdesign (Power Factor Correction) in einer Vienna-Topologie auf der Basis von SiC-Bauelementen. Generell ist eine PFC erforderlich, um die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom zu bewerkstelligen und die Phasenverschiebung des Eingangswechselstroms gegenüber der Eingangswechselspannung innerhalb genau definierter Grenzen zu halten, so dass ein Leistungsfaktor nahe Eins und eine geringe Gesamtverzerrung (THD) gewährleistet sind.

In Zukunft wird eine Energie-Rückspeisung aus der Fahrzeugbatterie in das Netz eine notwendige Option sein. Diese Fähigkeit des bidirektionalen Ladens lässt sich mit einem weiteren SiC-basierten 11-kW-PFC-Design in einer Totem-Pole-Anordnung demonstrieren. Sowohl DC-DC als auch PFC lassen sich modular kombinieren.

Ladeinfrastruktur

Siliziumkarbid ist auch entscheidend für die Ladeinfrastruktur. Höherer Spannungen und Ströme in Verbindung mit einem höheren Wirkungsgrad bei kleineren Kühlelementen ermöglichen auch kompaktere Designs bei Ladegeräten. Während die Größe des Ladegeräts für gewerblich genutzte Fahrzeuge und Geländewagen, die über Nacht in einem Betriebshof abgestellt werden, nicht so entscheidend ist, ist sie für die immer mehr verbreiteten bidirektionalen DC-Ladegeräte für Privathaushalte von Bedeutung.

Auch öffentliche Level-3-DC-Schnellladegeräte umgehen das Onboard-Ladegerät (OBC) des Fahrzeugs und laden die Batterie direkt über das fahrzeugeigene Batteriemanagement-System (BMS) auf. Die Umgehung des OBC ermöglicht wesentlich höhere Ladegeschwindigkeiten mit Ladegeräte-Ausgangsleistungen von 50 bis 350 kW.

Modulares Design

Beim modularen Designansatz kommt ein PFC-Front-End für die AC-DC Wandlung zum Einsatz, häufig bei höheren Wechselspannungen wie 480 V, sowie eine Reihe von isolierten, parallel geschalteten DC-DC-Wandlermodulen, die den Strom für das Fahrzeug liefern.

Mit diesem Konzept lassen sich aus den Basismodulen eine Reihe von Ladegeräten für die unterschiedlichen Anforderungen eines Fahrzeugbetreibers entwickeln. Wenn sich die Bedürfnisse der Fahrzeuge verändern und mehr Leistung für ein schnelleres Aufladen erforderlich ist, kann die Ladeinfrastruktur mit SiC-Bauelementen entsprechend anpasst werden. Dieser Ansatz findet Anwendung bei Schnellladesystemen bis zu 150 kW und bei Systemen mit noch höherer Leistung.

Der Einsatz von digitalem Energiemanagement und einer Kombination aus SiC-MOSFETs und Dioden ermöglicht Designs, die einen hohen Systemwirkungsgrad und eine hochgradige Integration, eine hohe Leistungsdichte, aktuelle digitale Regelkreise sowie Flexibilität in verschiedenen Stromversorgungs-Topologien für DC-Schnellladeanwendungen versprechen. Diese lassen sich mit Analogschaltungen, Leistungsmanagement, drahtloser und drahtgebundener Konnektivität, Energiemessung, Speicher, Sicherheitsfunktionen und Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) zu einem kompletten L3-DC-Schnelllade-Design kombinieren.

Fazit

Wide-Bandgap-Lösungen wie SiC sind entscheidend für die E-Mobilität, da sie einen besseren Wirkungsgrad, eine höhere Dichte und eine bessere Zuverlässigkeit der Energieumwandlung ermöglichen. Microchip will Entwicklern mit seinen mSiC-Power-Produkten und -Lösungen helfen, Siliziumkarbid einfach, schnell und zuverlässig einzusetzen. Das Portfolio umfasst SiC-Bare Die, diskrete Bauteile und Module von 700 V bis 3,3 kV.

Darüber hinaus enthält das Gesamtportfolio MPUs, MCUs, Wi-Fi/Bluetooth und Metering-Chips sowie die grafische Touch-Benutzeroberfläche für Anwendungen in Ladesäulen. Für die Fahrzeugseite gibt es unter anderem Automotive-Grade Digital Signal Controller, In-Vehicle-Networking Komponenten und Treiber. Die umfassenden Lösungen beinhalten auch Softwarepakete für verbesserte Motor- und Schaltnetzteil-Steuerungsalgorithmen sowie Automotive-Software-Stacks und Diagnosebibliotheken für funktionale Sicherheit. (bs)