Wide-Bandgap-Technologien (SiC und GaN) für nachhaltige EVs

In der Elektromobilität spielt sowohl der Wirkungsgrad (die Effizienz) als auch der Energiebedarf des Fahrzeugtypen beziehungsweise dessen Masse eine entscheidende Rolle: Der Energiebedarf von Elektrofahrzeugen wird in kWh für eine definierte Reichweite gemessen, aktuell etwa 16 kWh für 100 km für ein durchschnittliches Elektrofahrzeug. Bei dem weltweit harmonisierten Testverfahren für leichte Fahrzeuge (WLTP) umfasst der gemessene Energiebedarf zusätzlich auch die Ladeverluste. Letztlich ist dieser Ansatz jedoch nicht ausreichend. Stattdessen müssen alle Funktionen des Fahrzeugs effizient arbeiten und sich gegenseitig ergänzen, damit ein optimales System entsteht, das weniger Rohstoffe und Energie benötigt und so entwickelt wurde, dass es für Reparaturen und auf effizientes Recycling ausgelegt ist.

Mit der Well-to-Wheel-Betrachtung werden auch die Entstehungskosten beziehungsweise die CO₂-Generierung betrachtet und nicht nur der Betrieb des Fahrzeugs. Ein effizientes E-Fahrzeug wird in Zukunft CO₂-neutral produziert, wird aus regenerativen Energien geladen, ist mit 10 kWh für 100 km unterwegs und kann zu Spitzenzeiten Energie zurück ins Netz einspeisen.

Für die Umsetzung eines effizienten und damit klimafreundlichen Fahrzeugs ist eine gesamtheitliche Optimierung des Antriebstrangs erforderlich. Die wichtigsten Komponenten sind der Traktionsumrichter mit dem Elektromotor, das Batterie-Management-System (BMS), der On-board-Charger (OBC) und der Hochvolt/Niedervolt-Wandler (HV/LV DC/DC), mit den entsprechenden Gehäusen, Verkabelungen und Kühlsystemen.

Für eine hohe Energieeffizienz des Fahrzeugs, müssen die Entwickler jede dieser Komponenten optimieren, wobei insbesondere die elektrische sowie die Gewichts- und Größenreduzierung (Energiedichte) eine wesentliche Rolle spielen. Hier lohnt sich ein Blick auf den Energiefluss in einem Fahrzeug: Der On-Board Charger wandelt den Netzstrom um, um die Hauptbatterie zu laden. Der Traktionsumrichter wandelt die Energie um, um den Motor zu betreiben und damit das Fahrzeug zu beschleunigen. Beim Verzögern beziehungsweise langsamen Bremsen gelangt zudem die kinetische Energie des Fahrzeugs über den gleichen Weg wieder zurück in die Batterie (Rekuperation). Auf diese Weise schließt sich der Kreislauf der Energie im Fahrzeug. Für energieeffiziente Fahrzeuge müssen alle Bereiche zusammenwirken: Gewichtsreduzierung, Luftwiderstand sowie der elektrische Wirkungsgrad im Antrieb und der Rekuperation.

Zur Steigerung des Wirkungsgrads der einzelnen Elemente des Antriebstrangs kommen hocheffiziente Leistungshalbleiter zum Einsatz, egal ob es um die Nutzung der Kapazität der Batterie, die Leistungsdichte des OBCs oder die Effizienz der Traktionsumrichter geht. In der Regel basieren diese Bauelemente auf Silizium (Si) – ein seit Jahrzehnten bewährtes Material. Verfügbare Si-Halbleiter in der mechanischen Anbindung sowie des Kühlsystems wurden optimiert, um die statischen und dynamischen Verluste der Si-Bauelemente zu reduzieren. Doch seit einigen Jahren zeichnet sich ein Paradigmenwechsel ab: Neue WBG-Materialien (WBG: Wide Bandgap, großer Bandabstand) ermöglichen höhere Wirkungsgrade als Siliziumtechnologien im ausentwickelten Status.

SiC und GaN im EV

Zwei Materialien, die die erforderliche Leistung bieten, sind Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), die aufgrund ihrer höheren Elektronenbeweglichkeit auch die Bezeichnung Wide-Bandgap-Materialien tragen. Mit der erweiterten Auswahl an Halbleitertechnologien steht nun eine bevorzugte Lösung für die jeweilige Anwendung zur Verfügung. Verschiedene Gehäuse der Leistungshalbleiter und definierter Chip-Sets, bestehend aus Gate-Treiber, Sensoren, Mikrocontroller und Supply, ermöglichen dem Systementwickler, die Anwendung in Bezug auf Energiedichte und Effizienz zu optimieren.

Die Hauptaufgabe eines Traktionsumrichters ist die Umwandlung von der Batterie-Gleichspannung in Dreiphasen-Drehstrom, wofür Leistungsschalter zum Einsatz kommen. Silizium ist hierfür eine kostengünstige Lösung, doch die Verwendung von SiC birgt vielfältige Vorteile:

Die Vorteile von Siliziumkarbid

Zum einen lässt sich eine höhere Leistungsdichte, sowohl volumetrisch als auch gravimetrisch, erreichen. Damit wird das Fahrzeug leichter, bietet dem Fahrzeugentwickler gleichzeitig Freiheiten, um zum Beispiel den Luftwiderstand zu verringern und damit den Gesamtwirkungsgrad zu verbessern. Zum anderen handelt es sich bei SiC-Leistungsschaltern um MOSFETs, bei denen der Strom in beide Richtungen fließen kann. Besonders wichtig ist das für die Effizienz der Rekuperation. Dafür muss bei Si-Bauteilen eine Diode verwendet werden, die jedoch höhere Verluste verursacht. Zusätzlich können mit SiC-Bauteilen in einer Inverter-Applikation höhere Wirkungsgrade erreicht werden, da sowohl die Leit- als auch die Schaltverluste geringer ausfallen.

Traktionsumrichter schalten in aktuellen Applikationen mit einer Frequenz von 8 kHz bis 30 kHz, was für die Verwendung von SiC-Bauteilen optimal ist. Für Applikationen mit noch höherer Schaltfrequenzen ist dagegen GaN geeignet. Der Grund dafür ist die Gate-Ladung (Qg), also die Ladung/Energie, die benötigt wird, um den Schalter ein- und auszuschalten.

Im Vergleich zu Si, ist bei SiC-basierten Schaltgeräten Qg deutlich niedriger, was die Verwendung höherer Schaltfrequenzen ohne signifikanten Effizienzverlust ermöglicht. Darum können die Entwickler kleinere passive Bauteile einsetzen und gleichzeitig die Leistungsziele der Anwendung erfüllen. Die Reduktion von passiven Bauelementen resultiert vor allem bei OBC- und DC/DC-Anwendungen in erhöhten Energiedichten und Kostenreduktion bei passiven Bauteilen.

Der Einsatz von SiC-Bauelementen ist sinnvoll, doch für einen gültigen Vergleich zu Si-basierten Lösungen lohnt sich die Betrachtung des Gesamtsystems: Bei vielen Hochleistungslösungen, wie Traktionsumrichtern und OBC, ermöglicht der Einsatz von SiC-Bauteilen signifikante Einsparungen bei den Kosten für Induktivitäten und Kondensatoren. Der reduzierte Einsatz von Rohstoffen ermöglicht dann, gesamtheitlich betrachtet, eine Verbesserung der Energiedichte und Effizienz für eine kostenoptimierte Systemlösung.

GaN hat eine noch größere Bandlücke (3,4 eV) und eine wesentlich höhere Elektronenbeweglichkeit als SiC. Die Ausgangs- und Gateladung beträgt ein Zehntel der Ladung von Silizium-Bauelementen, und die Rückerholungsladung ist vernachlässigbar, sodass GaN nahezu verlustfrei schalten kann. Auf diese Weise lassen sich Lösungen für hohe Frequenzen bis zu etwa 10 MHz realisieren, was GaN zu einer beliebten Wahl für Resonanztopologien macht. GaN und SiC bringen unterschiedliche Stärken in den Bereich der Anwendungslösungen ein. Ihre Vorteile hängen jedoch von der jeweiligen Anwendung ab. So ist Siliziumkarbid beispielsweise bei Hochtemperatur- und Hochspannungsanwendungen, wie Hochleistungs-Stringwechselrichtern, besser geeignet. Bei Hochtemperaturanwendungen erfüllen ein niedrigerer Temperaturkoeffizient und eine hohe Sperrspannung die Anforderungen der Anwendung am besten.

Für Käufer von Elektrofahrzeugen ist die Reichweite heute ein wichtiger Faktor. Die Industrie adressiert diese Anforderungen, indem sie die Kapazität der Hauptbatterie auf 80 kWh, 100 kWh oder sogar mehr vergrößert. Bei einem typischen Energiebedarf von 15 kW bis 20 kW pro 100 km würde das eine theoretische Reichweite von 400 km bis 600 km ermöglichen. Allerdings benötigt eine größere Batterie auch mehr Platz und erhöht gleichzeitig das Gewicht des Fahrzeugs, was im Widerspruch zu den Effizienzzielen steht. Zudem verlängert sich auf diese Weise auch die Ladezeit. WBG-Materialien, insbesondere GaN, ermöglichen die Realisierung von Onboard- und Offboard-Chargern mit einer höheren Leistungsdichte. Somit ist eine Integration in das Fahrzeug möglich, und das zusätzliche Gewicht durch die Kühlung fällt minimal aus, da die Bauteile kleiner und effizienter sind als ihr Pendant aus Silizium. Sie ermöglichen zudem eine höhere Ladeleistung – derzeit bis zu 350 kW.

In den letzten Jahren wurden zudem immer häufiger Gleichstrom-(DC) beziehungsweise Schnellladegeräte installiert, um eine kurze Ladedauer mit höherer Leistung zu ermöglichen – beispielsweise während einer Langstreckenfahrt. Neue Ladestationen nutzen bereits WBG-Halbleiter von Infineon, die die Ladezeit auf 20 Minuten reduzieren.

Durch die erhöhte Leistungsdichte von OBCs mit GaN-Schaltern lassen sich auch bidirektionale OBCs in das Fahrzeug integrieren. Das heißt, dass der OBC nicht nur zum Laden der Batterie dient, sondern auch Strom in die andere Richtung liefern kann: von der Batterie ans Netz (V2G) oder an ein angeschlossenes Gerät (V2L). Somit kann das EV mit WBG-Technologie zur Stabilität der Netze, zur Optimierung der individuellen Stromrechnung, aber auch zum umweltbewussten BBQ mit Elektrogrill im Freien beitragen.

Dies macht Ladesysteme immer komplexer, aber es zeigt auch deutlich, dass aktuelle Lösungen die Anforderungen künftiger Anwendungen nicht erfüllen können, denn Halbleiterbauelemente auf Siliziumbasis sind in Bezug auf Schaltfrequenz und Sperrschichttemperatur begrenzt. Durch den Einsatz von SiC-MOSFETs lassen sich jedoch höhere Schaltfrequenzen und Sperrschichttemperaturen erreichen, was wiederum zu einer höheren Leistungsdichte und weniger Kühlungsaufwand führt. SiC-basierte Designs erreichen im Vergleich zu siliziumbasierten Designs höhere Wirkungsgrade, was zu geringeren Leistungsverlusten und somit einer geringeren Wärmeentwicklung führt. SiC und GaN sind daher ideal für die Entwicklung kompakterer OBC-Designs geeignet.

GaN ist eine weitere Technologie mit weiter Bandlücke, die wiederum SiC in gewissen Anwendungen ersetzen kann. Derzeit dominiert GaN mit einer Durchbruchspannung von bis zu 650 V. Die Hochfrequenzfähigkeit des Materials ermöglicht außerdem eine noch höhere Packungsdichte in einer Vielzahl von Anwendungen.

Wide-Bandgap-Bauelemente optimieren Applikationen nicht nur durch ihre inhärenten Eigenschaften wie eine höhere Effizienz und Leistungsdichte in bidirektionalen OBCs, sondern unterstützen auch eine Optimierung in Endanwendungen wie Vehicle-to-X (V2X). WBG-Halbleitermaterialien ermöglichen somit eine energieeffiziente und nachhaltige Fortbewegung und zusätzlich können Themen wie Netzstabilität adressiert und verbessert werden.

Die Frage der Effizienz ist für künftige elektrifizierte Fahrzeuge von grundlegender Bedeutung. Es geht nicht darum, die Reichweite zu erhöhen, sondern darum, durch die Optimierung des Antriebstrangs einen nachhaltigen geschlossenen Lebenszyklus zu ermöglichen. Ein effizienteres Fahrzeug benötigt weniger elektrische Energie, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen. Dadurch kann wiederum die Kapazität der Hauptbatterie verringert werden, was nicht nur die Fahrzeugkosten, sondern auch die Menge der benötigten Rohstoffe sowie das Gewicht reduziert.

WBG-Produkte sind der Schlüssel zur Entwicklung effizienter Antriebsstrang-Anwendungen. Es ist jedoch wichtig, die WBG-Technologie zu wählen, die optimal zu den Anforderungen passt. Ein reiner Wechsel der Halbleiter-Technologie ohne zusätzliche Anpassung der Applikation wird nicht automatisch das Optimum aus WBG-Produkten und der Applikation herausholen. Das gelingt nur durch eine gründliche Neugestaltung der Systemkonfiguration. Dabei gilt es, sowohl Topologien und Produkte als auch Kühlungs- und Gehäuseanforderungen zu berücksichtigen. Darüber hinaus müssen Synergien mit anderen Anwendungen in Betracht gezogen werden, um eine optimale Effizienz und einen nachhaltigen, geschlossenen Lebenszyklus zu erreichen. (av)