EV/HEV treibt Innovationen und Markt-Wachstum in der Leistungsbranche

Auf dem Markt für Einzelhalbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen ist derzeit mit einem  CAGR_2017-2022 von jeweils 2,2 % und 4,1 % zu rechnen, während der Markt für Leistungsmodule mit einem CAGR_2017-2022 von 6,3 % wachsen soll (Bild 1). Die Gründe für dieses Wachstum sind unterschiedlich, aber ein 20-prozentiges Wachstum der Verkäufe von IGBT-Modulen 2017 im Jahresvergleich bestätigt, dass die Elektrifizierung der EV/HEV-Antriebsstränge für einen massiven Schub sorgt. Aktuell kommen im EV/HEV-Sektor 29 % aller IGBT-Module zum Einsatz, bis 2023 ist mit einem Anstieg auf 50 % zu rechnen. Ähnlich ist die Situation bei MOSFETs: im Vergleich zu 2016 legte der Markt 2017 um 7 % zu. MOSFETs finden in EV/HEV-Wandlern, Batterieladegeräten, 48-V-DC/DC-Wandlern und Mikro-Wechselrichtern für die Start-Stopp-Funktion breite Anwendung.

Bild 1: Der Markt für Leistungsgeräte wächst beständig, wobei die Fahrzeug-Elektrifizierung für einen massiven Schub sorgt. Yole

Bei den Power-ICs für Fahrzeuge besagt die Prognose, dass der Markt bis 2022 1,77 Milliarden US-Dollar erreichen soll, bei einem CAGR von 6,7 % von 2017 bis 2022. Möglich ist dies nicht nur durch das erwartete Wachstum bei Antriebssträngen, um die steigende Nachfrage nach EV/HEVs zu befriedigen. Sowohl in PKWs des Luxussegments (zum Beispiel Audi, BMW, Mercedes-Benz) als auch in Fahrzeugen des Massenmarkts (zum Beispiel VW, Toyota, Honda oder Ford) kommen vermehrt Fahrerassistenzsysteme als dominierendes Sicherheitsprodukt zum Einsatz.

Photovoltaik und Motorantriebe

Die Halbleiterindustrie profitiert auch vom Wachstum des Photovoltaik-Segments (PV), was teilweise an einem beschleunigten Installationsboom in China liegt. Während 2017 mit PV-Neuinstallationen von mehr als 95 GW endete, beläuft sich die Prognose bis 2021 auf über 150 GW. Darüber hinaus hat die Solarindustrie nicht nur stark von Leistungsmodulen und MOSFETs für Mikrowechselrichter profitiert, sondern auch von Power-ICs, in Invertern verwendeten Gate-Treibern und Spannungsüberwachern, die in Mikrocontrollern zum Einsatz kommen, um Ausrichter von PV-Paneels mit intelligenten Funktionen auszustatten.

Motorantriebe sind ein weiteres großes Segment, welches aufgrund aggressiver Regulierungsziele das Wachstum des IGBT-Modulmarktes vorantreibt. Yole prognostiziert hier von 2016 bis 2022 ein CAGR von 4 % für Motorantriebe. Das Wachstum in anderen Segmenten, wie Schweißtechnik und Weißwaren für Konsumenten, profitiert auch vom guten Zustand des Halbleitermarkts, was die separaten IGBT- und MOSFET-Verkäufe jeweils im Vergleich zu 2016 um 18 % beziehungsweise um 7 % Prozent erhöht. Power-ICs sollen perspektivisch von verschiedenen Schlüsselendmärkten profitieren und ein CAGR_{2017 – 2022} von 4,1 % erreichen, was im Einklang mit dem allgemeinen Trend der gesamten Halbleiterbranche liegt.

Das EV/HEV-Segment machte im letzten Jahr die breite Masse des Wachstums des Halbleitermarktes aus – ein Trend der sich die nächsten drei bis fünf Jahre laut Prognose fortsetzt. Um die Auswirkungen des wachsenden Elektrofahrzeugmarktes auf die riesige Leistungselektronikindustrie zu verstehen, analysiert der Beitrag im Folgenden einige der Marktindikatoren.

Wie die Elektrifizierung Innovationen in der Leistungselektronik antreibt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

EV/HEV treibt Innovationen an

Die Elektrifizierung von PKWs revolutioniert die Leistungselektronikbranche sowohl aus markt- und unternehmenstechnischer Perspektive, als auch hinsichtlich technologischer Innovationen. Jahr für Jahr steigt die Anzahl von batterieelektrischen oder Hybridfahrzeugen mit Wachstumsraten zwischen 20 % und 60 %. 2017 zeigte zum Beispiel bei den weltweiten Verkäufen im Vergleich zu 2016 eine Steigerung um 25 % für Vollhybridfahrzeuge, 40 % für Plug-in-Hybridfahrzeuge und 60 % für batterieelektrische Fahrzeuge. Darüber hinaus ist die Evolution dieses expandierenden Marktes aufgrund verschiedener staatlicher Regulierungen über CO₂, die OEMs  respektieren müssen, sehr positiv und die verschiedenen finanziellen Zuschüsse einheimischer Einrichtungen regen dazu an, dieses Geschäft zu entwickeln. Dies zeigt deutlich, dass EV/HEVs derzeit das allgemeine Wachstum und die Innovationen am Leistungselektronikmarkt vorantreiben.

Bild 2: Am Markt für Leistungsmodule konkurrieren verschiedene Geschäftsmodelle miteinander: Module vom Halbleiterhersteller, vom Tier-1-Zulieferer sowie ganze Modul-Pakete von OSATs. Yole

Auch deshalb sind Leistungselektronik-Anbieter darauf erpicht, das beste Material, die verlässlichsten Halbleiterchips oder die kompaktesten Wechselrichter für die Autoindustrie zu liefern. Unternehmen versuchen heute, sich früher auf Konsumenten zu konzentrieren, um Teil der Automobil-Zulieferkette der Zukunft zu sein. Der Wettbewerb ist auf der Stufe der Leistungsmodule sogar noch härter, da Halbleiterhersteller Leistungsmodule liefern können (Infineon, On Semiconductor, Mitsubishi Electric und andere), Tier-1-Zulieferer wie Bosch, Continental oder Delphi eigene Module entwerfen und OSATs (Open-Source Appropriate Technology) beginnen, ganze Pakete für Leistungsmodule zu schnüren. All diese verschiedenen Geschäftsmodelle drängen auf den expandierenden EV/HEV-Markt, um sich ihr Stück am Kuchen zu sichern (Bild 2).

Kostengünstige Innovationen

Zum ersten Mal seit vielen Jahren treibt ein Massenmarkt die Innovationen in der Leistungsindustriebranche voran und nicht ein Hightech-Nischenmarkt (Raumfahrt oder der Öl- und Gasmarkt). Zwei Faktoren haben sich vermischt, um diese kostengünstige, innovative Entwicklungsumgebung zu erschaffen: Starke Einschränkungen hinsichtlich Platz und Verlässlichkeit sowie hohe Stückzahlen, die niedrige Kosten erfordern. Daher ist Energiedichte ein Schlüsselfaktor, der bei elektrischen Fahrzeugen sowohl auf der System- oder Wandlerstufe als auch bei Leistungsmodulen Beachtung finden muss. Zu den von der EV/HEV-Industrie ausgelösten Innovationen zählen Architekturen wie das 48-Volt-Netzwerk für Mild-Hybridautos, innovative Kühlmethoden, Moduldesigns und neue Materialien.

Was sich konkret beim Moduldesign tut, beleuchtet der Beitrag auf der folgenden Seite.

Diversifikation beim Moduldesign

Bild 3: Die EV/HEV-Industrie sorgt für neue Trends bei der Kühlung von Modulen, vom der doppelseitigen Kühlung, über die Integration von Leistungselektronik und Kühlsystem bis hin zu gekühlten Grundplatten mit Stiftkühlern. Yole

Auf der Stufe der Leistungsmodule wurde in den letzten paar Jahren eine Diversifikation im Moduldesign wahrgenommen. Die Veränderung von den klassischen Verkleidungstechnologien mit einem Kunststoffgehäuse, Silikongelverguss und einem Keramikträger zu kompakteren transfergeformten Epoxidmodulen mit organischer Isolierung war für die Antriebsumrichter-IGBT-Module ein großer Schritt. Der transfergeformte Epoxidverguss wurde verbessert, um die Zuverlässigkeitsanforderungen im Fahrzeug zu erfüllen. Er bietet aktuell im Vergleich zu Silikongel eine höhere thermische Leitfähigkeit und ist preiswerter. Vor allem aber ermöglicht der transfergeformte Epoxidverguss kompaktere und flexiblere Designs, um die Leistungsmodule besser zu integrieren. Dadurch haben sich in der EV/HEV-Industrie doppelseitige Kühlmodule durchgesetzt.

Von den ersten doppelseitigen Kühlmodulen bei Lexus-Fahrzeugen bis zur bekannten vierten Generation der im Toyota Prius verbauten Powercards wurde ein Weg in Richtung der Integration von Leistungselektronik und Kühlsystem sowie ein optimiertes thermisches Leitsystem geschaffen. Unternehmen wie Bosch, Infineon oder Dynex/CRRC folgen dieser Richtung und haben ihre eigenen doppelseitigen Kühlmodule kommerzialisiert. Eine weitere Besonderheit der Automobilindustrie sind aber die direkt gekühlten Grundplatten mit ihrer Stiftkühltechnologie, die bei anderen Anwendungen selten zu sehen sind. Diese zwei Technologielösungen werden in der EV/HEV-Industrie in der nächsten Generation von Elektroautos koexistieren (Bild 3).

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Entwicklung organischer Isolatorfolien, wodurch die Verwendung weit teurerer und starrer Keramikträger vermieden wird. Selbst wenn die Isolationsschicht niedrigere thermische Leitfähigkeit zeigt (bis zu 10 W/mK, während Al₂O₃ 24 W/mK und Si₃N₄ bis zu 90 W/mK hat), kann die Designflexibilität mit dickeren Kupferschichten auf Ober- und Unterseite (IMS-Typ-Struktur) die thermischen Wege für jede Sonderfertigung optimieren. Japanische Unternehmen wie Sanyu REC und Nagase Chemtex bieten aktuell die fortschrittlichsten organischen Filme mit der Entwicklung von Folien, die 12 bis 15 W/mK erreichen. Diese neuen Unternehmen werden den Keramikträgerlieferanten perspektivisch gefährlich, weshalb diese mit besser anpassten Keramiklösungen kontern, wie beispielsweise Mitsubishi Electric mit integrierter Keramik und Grundplatte.

Wie setzten sich SiC und GaN am Leistungselektronik-Markt durch? Antworten darauf gibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Halbleitertechnologie

Wide-Bandgap-Halbleiter (WBG) wie SiC oder GaN bieten im Vergleich zu Silizium aufgrund ihrer höheren Bandabstände, niedrigeren Übertragungsverluste und höheren Elektronengeschwindigkeiten viele Vorteile. Sie ermöglichen höhere Schaltfrequenzen und damit die Reduzierung der Größe passiver Komponenten sowie eine deutlich höhere Effizienz als herkömmliche Si-Bauelemente. SiC punktet vor allem durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit, was Designs mit höherer Energiedichte erlaubt. Sowohl bei SiC als auch GaN erwarten die Hersteller mit der Ankunft von EV/HEV-Anwendungen eine Produktionssteigerung, um endlich einen wirklich signifikanten Anteil an der Leistungshalbleiterindustrie zu bilden.

WBG-Herstellern bleiben perspektivisch noch ein paar Jahre, bevor die Großproduktion für Fahrzeuge einsetzt. Sie sind aber bereits sehr aktiv und die meisten Unternehmen befinden sich gemeinsam mit OEMs bereits in der Entwicklung, um ihre Produkte zu testen. SiC-Produkte kommen hauptsächlich in Bordladegeräten zum Einsatz, aber auch bis zu einem gewissen Ausmaß im Hauptwandler. Seit 2017 verwendet BYD in einigen seiner Bordladegerätprodukte bereits SiC-MOSFETs. Andererseits beginnt der Markt für Hauptwandler gerade mit der Feldforschung auf der Straße, sowohl bei Tesla als auch bei Toyota. Andere Autohersteller erwarten, dass ihre ersten SiC-basierten Modulprototypen ab 2020 in Serie gehen. Yole Développement erwartet, dass der SiC-Markt für EV/HEV (einschließlich Bordladegeräten) 2022 ungefähr 150 Millionen USD erreichen wird.

Die GaN-Entwicklung hinkt im Vergleich zu SiC aufgrund der zusätzlichen Komplexität der Gerätearchitektur und technologischer Prozesse zur Herstellung von HEMTs ein wenig hinterher. Darüber hinaus gestaltet sich das Schaltungsdesign und die Integration schwierig. Trotz dieser Verzögerungen ist die Vorstellung aktueller GaN-Produkte bereits deutlich angestiegen, beispielsweise durch die Qualifikation von Transphorms GaN-basierten Geräten für Fahrzeuge. Einige OEMs wie Audi und Renault setzen bei DC/DC-Wandlern auf GaN und arbeiten gemeinsam mit IDMs daran, die Entwicklung von GaN voranzutreiben.

Ein Blick in die Zukunft

Diese aktuellen Orientierungen in der Leistungselektronik, die von den neuen Anforderungen von EV/HEVs vorangetrieben werden, sind nur ein paar Beispiele dafür, wie sich die Technologie weiterentwickelt. Es gibt noch immer einige Probleme hinsichtlich Kosten, Produktengpässen, Integration und Verlässlichkeit, aber die Lieferkette stabilisiert sich schrittweise, die Entwicklung passiver Komponenten und Antriebe schreitet voran und die Qualifizierung für Fahrzeuge beginnt.

Noch ist es zu früh um zu sagen, wie die Mainstream-Modultechnologie in zehn Jahren in einem Elektroauto aussehen wird. Es stimmt aber soweit zu sagen, dass diese Innovationen die Entwicklung der Leistungselektronik beschleunigen und andere Branchen zweifellos aus diesen kostengünstigen, aufkommenden Technologien Vorteile ziehen können. Die Leistungselektronikindustrie, die ein großes Ökosystem von Halbleitern bis zu Lieferanten, von Verkleidungsmaterial und passiven Komponenten bis hin zu Designern von Wandlersystemen repräsentiert, ist definitiv ein ausgesprochen gesunder Markt.

(na)