Halbleitertechnologie

Eck-Daten

Die aktuellen Orientierungen und Innovationen am Markt für Leistungsgeräte werden vornehmlich von den Anforderungen der Automobilbranche für Elektro- und Hybridfahrzeuge vorangetrieben. Damit ist zum ersten Mal ein Massenmarkt der maßgebliche Innovationstreiber bei Leistungskomponenten. Yole Développement gibt im Beitrag einen umfassenden Überblick darüber, welchen Einfluss die Fahrzeug-Elektrifizierung auf aktuelle Entwicklungen in der Leistungselektronik hat und beleuchtet dabei Wachstumsprognosen sowie Fortschritte beim Moduldesign, bei Verkleidungs- und Kühltechnologien und bei Leistungshalbleitern.

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.

Seite 4 von 41234