Kein Auto kommt mehr ohne intelligente Halbleiter aus

Die Leistungselektronik spielt für die Elektromobilität eine wichtige Rolle, da sie für die effiziente Leistungsübertragung von der Batterie zum Motor sorgt. Siliziumkarbid als neues Halbleitergrundmaterial ermöglicht unter anderem durch geringere Schaltverluste und höhere Schaltfrequenzen im Vergleich zu Silizium effizientere Lösungen: Für das Gesamtsystem ist es aber laut ABB wichtig, die Schnittstellen und den internen Aufbau der Leistungselektronik so zu verbessern, dass Streuinduktivitäten optimiert sind.

Neue Siliziumkarbid-Mosfets steigern die Effizienz von elektrischen Antrieben und Invertern. Im Vergleich zu Silizium-IGBTs ermöglichen sie so höhere Reichweiten und schnelles Laden bei 800 V. Vitesco Technologies hat an einem integrierten Achsantrieb mit prototypischem 800-V-SiC-Inverter untersucht, welche Faktoren die beste Systemkonfiguration aus Inverter und Motor bestimmen.

Der Halbleiter Siliziumkarbid ist derzeit in aller Munde. SiC-Halbleiter versprechen mehr Power für elektrische Antriebe. Warum SiC die Elektromobilität vorantreiben kann, haben wir kompakt erklärt.

So unterschiedlich die Anwendungen verschiedener Steuergeräte auch sind, der grundsätzliche Aufbau ähnelt sich doch sehr stark. Jedes Steuergerät besitzt einen Rechnerkern, wobei es allerdings erhebliche Unterschiede in der Leistungsfähigkeit gibt. Steuergeräte, die wie in den 70er Jahren komplexe Funktionen ausschließlich in analoger Schaltungstechnik realisierten, haben heute keine Bedeutung mehr. Die Aufgabe eines Steuergerätes ist die Verarbeitung von Sensorsignalen und eine der Betriebssituation angepasste Betätigung von Stellgliedern (Aktoren), z. B. über Regelalgorithmen.

Für die Elektrifizierung des Antriebsstrangs sind neue Wege zu beschreiten. Leistungshalbleiter, aus Siliziumkarbid hergestellt, können eine interessante Lösung für Frequenzumrichter und Gleichrichter sein. AVL erklärt die technischen Vorteile – schnellere Schaltfrequenzen sowie verringertes Gewicht und Volumen – dieses Halbleiterwerkstoffs gegenüber konventionellen, siliziumbasierten IGBT-Leistungshalbleitern.

Onboard-Charger sind ein Muss in jedem vollelektrischen oder Plug-in-Hybridfahrzeug. Infineon erklärt im Beitrag, auf welche Parameter es beim Entwickeln solcher Ladegeräte ankommt und wie diese mit geeigneten Halbleiterkomponenten erreicht werden können.

Halbleiterschalter gewinnen im KFZ-Bereich immer mehr an Bedeutung, sei es als geregelter Lichtschalter, Motorregler, Sicherung oder als Strombegrenzer für den Start-Stopp-Anlasser. Im Spannungsbereich bis ca. 100 V werden MOSFETs eingesetzt, über 100 V IGBTs.

In der Elektrotechnik unterscheidet man zwischen aktiven und passiven elektronischen Bauelementen. Unter passiven Bauelementen versteht man elektrische Widerstände, Kondensatoren (bzw. Kapazitäten) und Spulen (bzw. Induktivitäten). Ihre elektrischen Eigenschaften sind zeitlich konstant und können bestenfalls durch das Verschieben mechanischer Elemente (z. B. regelbare Widerstände (= Potenziometer) und regelbare Kondensatoren) angepasst werden.

Ausgehend von den Leitungsmechanismen in Halbleitern werden die Eigenschaften von Dioden und Transistoren besprochen. Anwendungsfelder der wichtigsten Diodentypen werden in Übersichten dargestellt und anschließend detailliert behandelt. Bei den Transistorschaltungen werden sowohl bipolare als auch Feldeffekttransistoren vorgestellt. 

Leistungselektronische Stellglieder sind in Hybrid- und Elektrofahrzeugen unabdingbar. Sie dienen dort insbesondere der Antriebsregelung, dem Energiemanagement im Bordnetz und dem Batterieladevorgang. Außerdem trägt die Leistungselektronik zukünftig einen wesentlichen Anteil zur Wertschöpfung bei.

Häufig sind Halbleiter das Basismaterial aktiver elektronischer Bauelemente. Im Folgenden werden einige grundlegende Eigenschaften von Halbleitern behandelt. Für das Verständnis von Eigenschaften und Funktion von Bauelementen, die aus Halbleitermaterial aufgebaut sind, ist dieses Wissen unerlässlich. Es wird auch für den praktischen Einsatz von Halbleiter-Bauelementen benötigt, um die Konsequenzen geänderter Einsatz- oder Randbedingungen (z. B. einer Temperaturänderung) abschätzen zu können.