Kontinuierliche Optimierung der Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge

Der erste Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) aus Silizium (Si) wurde vor mehr als 40 Jahren vorgestellt und über die Jahrzehnte weiterentwickelt und perfektioniert. In der Zwischenzeit ist der Zyklus von neuen Si-Chip-Generationen im Bereich von circa drei Jahren, und der Entwicklungsfokus liegt für die Spannungsklassen bis und mit 1200 V, die für BEVs aktuell eingesetzt werden, auf sogenannten Trench-Techniken, Bild 1. Ein ganz ähnlicher Zeitrahmen gilt auch für die Dioden, die als Antiparallelschaltung mit den IGBTs zum Einsatz kommen. Ab und zu werden auch sogenannte rückwärtsleitende Elemente verwendet, also ein Chip, der einerseits einen IGBT und andererseits eine antiparallele Diode auf dem gleichen Chip vereinigt. Die Auslastung der Chip-Fläche ist somit (wie auch beim SiC-MOSFET mit der Body-Diode) ideal, da die gleiche Chipfläche sowohl beim IGBT- als auch beim Diodenbetrieb leitet. Bei SiC ist der Verbesserungszyklus aufgrund der geringeren Maturität kürzer, dadurch liegt die Verfügbarkeit von neuen Chip-Generationen aktuell bei zwei Jahren oder sogar darunter.

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Beim Vergleich der Materialeigenschaften von Si und SiC, Bild 2, wird deutlich, dass SiC aufgrund des weiteren Bandabstands als sogenanntes Wide-Band-Gap(WBG)-Material eine höhere elektrische Feldstärke zulässt, bevor die Durchbruchgrenze erreicht ist. Das ist gerade im Spannungsbereich für die Elektromobilität von großer Bedeutung. Daher muss bei Si aufgrund der Feldstärke bereits mit IGBTs gearbeitet werden, bei SiC hingegen kann die MOSFET-Struktur bis circa 10 kV verwendet werden. Ein IGBT hat mehr PN-Übergänge und somit auch automatisch höhere Verluste als ein MOSFET. Die höhere Bewegungsgeschwindigkeit der freien Elektronen bei SiC ermöglicht es zudem, dass bei einem SiC-MOSFET erheblich schneller geschaltet werden kann als bei Si. Desweiteren ist es bei SiC einfacher, die Verluste auf dem Chip abzuführen, da einerseits die thermische Leitfähigkeit signifikant größer als bei Si ist und andererseits auch die zulässige Sperrschichttemperatur bei SiC um Faktoren höher liegt. Hier ist aber zu beachten, dass typischerweise das Material, das im Leistungsmodul zur Verpackung der Chips verwendet wird, die Temperaturgrenze bestimmt (aktuell im Bereich von 200 bis circa 250 °C).

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All diese Vorteile von SiC führen dazu, dass sich einerseits die Reichweite eines BEV, bei dem von Si auf SiC gewechselt wird, mit gleicher Batterie um mehr als mindestens 7 % erhöht. Falls man andererseits die Größe des SiC-Leistungshalbleitermoduls beibehält und lediglich die Chips von Si auf SiC wechselt, steigt der Strom mindestens um den Faktor 2, sofern dies die Anschlüsse des Leistungshalbleitermoduls zulassen. SiC eignet sich also sehr gut dazu, hocheffiziente, schnellschaltende, kleine und sehr leistungsstarke Leistungshalbleitermodule zu bauen, ideal für die Anwendung in BEVs, ungeachtet dessen, ob es sich um einen Pkw, Lastwagen, Bus, landwirtschaftliches Fahrzeug oder Baufahrzeug handelt. Um nicht die Vorteile des schnellschaltenden SiC einzuschränken, müssen SiC-Leistungshalbleitermodule über eine äußerst niedrige Streuinduktivität verfügen. Als Beispiel hat das SiC-Modul Energy RoadPak von Hitachi eine Streuinduktivität von nur 5 nH, Bild 3.

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Wie bereits der Name sagt, hat der SiC-MOSFET zwischen seinem Gate und dem Kanal eine isolierende Metalloxidschicht. Es ergibt sich also ein Kondensator, der beim Ein- und Ausschalten geladen und entladen wird. Die Kapazität dieses Kondensators hat direkten Einfluss auf den spezifischen Kanalwiderstand. Da bei SiC-MOSFETs in den Spannungsklassen 1,2 kV und darunter der spezifische Kanalwiderstand einen maßgeblichen Einfluss auf den gesamten Leitwiderstand hat, ist es umso wichtiger, diese Kapazität zu erhöhen. Eine Möglichkeit ist hier die Verwendung von Materialien mit höheren Dielektrizitätskonstanten als das oft verwendete SiO₂. Dies sind sogenannte High-K-Materialien [1], eine interessante zukunftsweisende Variante, die beispielsweise im Chipset von Hitachi Energy eingesetzt wird.

Es haben sich in der Zwischenzeit hauptsächlich zwei Spannungsklassen von Batterien durchgesetzt, 400 und 800 V. Um bei gleicher Antriebsleistung den Strom, der unter anderem die Dicke der Kabel definiert, zu reduzieren, gibt es bereits Bestrebungen, die Spannung der Batterie weiter zu erhöhen. Mit den aktuell verwendeten Batterietechniken erlauben höhere Spannungen auch ein beträchtlich schnelleres Aufladen. Gerade dieser Faktor ist bekanntermaßen für BEV-Nutzer von großer Bedeutung.

Bei Betrachtung der verschiedenen Generationen von SiC-Chips ist zu berücksichtigen, dass die erste im Gegensatz zur zweiten Generation vielfach noch nicht genügend langlebig war, um die erforderlichen Lebensdauern und Schaltzyklen zu erreichen. Bei der zweiten Generation hatten die Chips typischerweise einen Durchgangswiderstand (R_DS(on)) von 20 mΩ und darüber bei einer vergleichbaren Chipgröße von 5 × 5 mm. Bei der dritten Generation betrug der R_DS(on) bereits zwischen 15 und 20 mΩ bei einer vergleichbaren Chipgröße von 5,25 × 5,25 mm. Die verbesserte dritte (3+) oder vierte Generation liegt nun irgendwo zwischen 10 und 15 mΩ bei der wiederum gleichen Chip-Referenzgröße. Ab der dritten Generation kommen sowohl Trench- wie auch Planar-Topologien zum Einsatz. In den vergangenen fünf Jahren konnten die Durchgangswiderstände damit etwa halbiert werden. Dabei ist zu beachten, dass es keine durchgängige standardisierte Definition der einzelnen Generationen gibt, diese unterscheidet sich je nach Lieferant, dennoch trägt die oben dargestellte Klassifizierung zur Transparenzsteigerung bei. Die genannte Reduktion des R_DS(on) kann für eine höhere Leistungsfähigkeit genutzt werden oder aber, um die Anzahl der benötigten Chips oder konkret die aktive Chip-Oberfläche von SiC massiv zu reduzieren. Da SiC aufgrund der aufwendigen Herstellprozesse und des teureren Basismaterials nach wie vor kostenintensiver als Si ist, ist das oft eine willkommene Möglichkeit. Als konkretes Beispiel benötigt das Leistungshalbleitermodul RoadPak der dritten Generation mit 980 A bei 1200 V noch zehn Chips pro Schalter, bei einer Halbbrücke also 2 × 10 Chips, und das der verbesserten Generation nur noch acht Chips pro Schalter (parallel) oder für die ganze Halbbrücke 2 × 8 Chips, Tabelle 1. Als weitere Neuerung unterstützen die meisten aktuellen Chips interne, also auf dem Chip vorhandene Gatewiderstände (R_g) was wiederum die Ansteuerung oder die Anpassung der Ansteuerung auf der Gate-Einheit wesentlich einfacher machen, Bild 4. Vergleicht man das dynamische Verhalten, sind auch hier erhebliche Fortschritte festzustellen, Bild 5. Die entsprechenden Charakterisierungen fanden immer jeweils mit dem RoadPak als Leistungshalbleitermodul statt.

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Zusammenfassend lassen sich die massive Reduktion des Durchgangswiderstands und die erheblich verbesserte Ansteuerung mit weniger Überschwingen bei SiC-Leistungshalbleitermodulen als wesentliche Entwicklungsschritte herausheben. Nächste Generationen zeigen hier sogar noch weiteres Potenzial. Diese Verbesserungen helfen dabei, die Elektromobilität noch attraktiver und verlustärmer zu machen und die Batteriereichweite für den Nutzer zu erhöhen. Neben der Leistungsfähigkeit darf auch die Zuverlässigkeit, wie zum Beispiel in [2] gezeigt, als integrierter Bestandteil für eine erfolgreiche Elektromobilität nicht vernachlässigt werden. Leistungshalbleitermodule, die mehr als eine Generation von Chips unterstützen, wie zum Beispiel das RoadPak-Modul von Hitachi, ermöglichen ohne aufwendige Änderungen eine fortlaufende Anpassung an die neuesten Techniken und sogar eine Kostenreduktion infolge weniger Chips oder eine höhere Performanz bei gleichen Abmaßen. Gleichzeitig gibt das Konzept die Flexibilität, mehrere Chip-Lieferanten zu berücksichtigen, was gerade in Zeiten von Zöllen und Exporteinschränkungen eine wichtige Maßnahme darstellt, um die Lieferfähigkeit immer aufrechtzuhalten.