Ladestation für Elektrofahrzeuge

Ein schnell wachsender Markt für die Leistungselektronik sind beispielsweise Ladestationen für Elektrofahrzeuge. (Bild: Onsemi)

Heute, im Jahr 2021 stehen wir am Beginn einer neuen Ära der Leistungselektronik, die die nächsten Jahrzehnte prägen wird. Elektrofahrzeuge mit Batterie- oder Hybridantrieb sind stark gefragt und werden Benzin- und Dieselfahrzeuge letztlich verdrängen. Die neuen Fahrzeuge beziehen ihre Energie aus dem AC-Netz. Dabei lädt ein On-Board-Ladegerät die Fahrzeugbatterie auf. Oder die Fahrzeugbatterie wird während des Ladevorgangs direkt an ein externes DC-Schnellladegerät angeschlossen. Da es weder aus energetischer noch aus ökologischer Sicht sinnvoll ist, Fahrzeuge mit Strom aus Kohlekraftwerken zu versorgen, wächst die Nachfrage nach Solar- und Windenergie sowie Energiespeichern, die Energie dann bereitstellen, wenn sie benötigt wird. Es entwickelt sich daher ein schnell wachsender Markt für Elektrofahrzeuge, On-Board-Ladegeräte, Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Solar- und Windenergie sowie für Energiespeichersysteme.

KI, Cloud Computing, E-Fahrzeuge & Co.: Wachstumstreiber der Leistungselektronik

Ein weiterer Bereich, in dem die Leistungselektronik ein schnelles Wachstum verzeichnet, sind die Komponenten, die in Rechenzentren verwendet werden. Dies ist auf die zunehmende Nutzung von Cloud Computing, künstlicher Intelligenz (KI) und Online-Internetdiensten zurückzuführen. Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) versorgen diese Rechenzentren zuverlässig mit Strom. Die Elektronik-Boards in Rechenzentren enthalten viele integrierte Stromversorgungen, die von der Haupteingangsspannung auf 48 V und dann auf niedrigere Spannungen zur Versorgung der Prozessoren, FPGAs und Speicher im Rechenzentrum umwandeln.

Diese neuen Anwendungen erfordern einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte. Das On-Board-Ladegerät für Elektrofahrzeuge sollte nicht zu viel Platz im Fahrzeug einnehmen; neu entwickelte On-Board-Ladegeräte dürfen denselben Platz einnehmen, müssen aber die doppelte Leistung liefern. Die Fotovoltaik-Wechselrichter in Solaranlagen werden aus modularen Einheiten erstellt, die von zwei Personen bewegt werden können. Die Leistungssteigerung dieser Einheiten, ohne deren Gewicht zu erhöhen, ist daher ein wichtiger Entwicklungstrend. Und schließlich führt eine höhere Effizienz in einem batteriebetriebenen Fahrzeug zu einer größeren Reichweite. Eine höhere Leistungsdichte sorgt für leichtere Fahrzeuge, die neben mehr Flexibilität beim Fahrzeugdesign auch eine größere Reichweite mit sich bringen.

SiC- und GaN-Leistungsschalter

Silizium-Leistungshalbleiter werden in diesen Anwendungen durch Leistungsschalter aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) ersetzt. SiC und GaN sind Materialien mit großer Bandlücke (WBG). Diese Materialien ermöglichen den Betrieb von Leistungsschaltern bei einer höheren Temperatur, höherer Frequenz und bei höheren Spannungen im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsschaltern auf Siliziumbasis wie IGBTs oder Silizium-MOSFETs.

Obwohl oft von beiden Materialien gesprochen wird, bestehen zwischen SiC und GaN einige wichtige Unterschiede. Aus diesen Unterschieden ergeben sich verschiedene Einsatzbereiche.

Das sind die Unterschiede von SiC und GaN

Bei einem gegebenen RDS(on) und einer gegebenen Durchbruchspannung haben GaN-Bauelemente eine geringere Gesamtkapazität im Vergleich zu SiC-Bauelementen. Allerdings weist SiC im Vergleich zu GaN eine bessere Wärmeleitfähigkeit und einen flacheren Temperaturkoeffizienten auf. SiC ist damit geeigneter für Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen und kommt in Anwendungen, die 650 V oder mehr benötigen zum Einsatz. Hingegen ist GaN eher bei Anwendungen zwischen 100 und 650 V zu finden.

Vorteile und Einsatzbereiche von GaN-Leistungsschalter

GaN-Bauelemente, die für eine Durchbruchspannung von etwa 100 V ausgelegt sind, werden bei der Mittelspannungsumwandlung von 48 V auf eine niedrigere Spannung verwendet. Dieser Spannungsbereich findet Anwendung im Cloud-Computing und in der Telekommunikationsinfrastruktur für isolierte Buswandler. Darüber hinaus enthalten AC/DC-Netzteile für Cloud-Computing und USB-PD-Anwendungen 650-V-GaN-Leistungsschalter, was die richtige Nennspannung für die AC/DC-Wandlung mit dem universellen Eingangsspannungsbereich von 90 bis 265 VAC ist. Durch die möglichen hohen Frequenzen von GaN-Leistungsschaltern können die passiven Bauelemente der Stromversorgung deutlich kleiner ausfallen, was zu einer äußerst kompakten Gesamtlösung führt.

Einsatzbereiche von Wide-Bandgap-Halbleitern SiC und GaN
Wide-Bandgap-Halbleiter wie SiC und GaN arbeiten bei deutlich höheren Frequenzen als Silizium. Dadurch fallen passive Bauelemente kleiner aus und der Wirkungsgrad steigt. (Bild: Onsemi)

Vorteile und Einsatzbereiche von SiC-Bauelementen

Im Gegensatz dazu sind SiC-Bauelemente für 650 V und höher ausgelegt. Bei 1200 V und höher ist SiC die beste Lösung für eine Vielzahl von Anwendungen. So werden Solarwechselrichter, Ladegeräte für Elektrofahrzeuge und die industrielle AC/DC-Wandlung alle langfristig auf SiC umgestellt.

Die bereits erwähnten neuen Märkte werden selbst neue Märkte hervorbringen. Es besteht ein großer Bedarf an einer effizienten Leistungswandlung im AC-Mittelspannungsbereich. SiC hat eine vielversprechende Zukunft im Bereich halbleiterbasierter Transformatoren, bei denen der derzeitige Kupfer- und Magnettransformator durch Halbleiter ersetzt wird, was den Wirkungsgrad verbessert, Oberwellen reduziert und die Netzstabilität erhöht.

Autor

Autor, Ajay Hari

Ajay Hari ist Applications Manager, Advanced Solutions Group bei Onsemi.

Autor

Autor, Jon Harper

Jon Harper ist Member of Technical Staff , Industrial Modules, IGBTs, Rectifiers, Power Solutions Group bei Onsemi.

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