www.hanser-emobility.de SPECIAL 2016 Schaeffler Technologien für 48-V-Konzepte 66 74 Vector Informatik Standardisierung von Ladetechniken SONDERDRUCK 52 Rohm Semiconductor SiC für Elekrofahrzeuge
TITEL Siliziumkarbid für Elektrofahrzeuge Rohm 2 HANSER automotive 10 / 2016 Carl Hanser Verlag, München
TITEL Die Vorteile von Siliziumkarbid-Halbleitern sind mittlerweile bei Automobilherstellern erkannt worden. Erste Produkte sind bei Batterieladegeräten unterschiedlicher Leistungen in verschiedenen Fahrzeugen bereits weltweit im Einsatz. Der erste Automotive-qualifizierte SiC-MOSFET wird in Kürze von Rohm erhältlich sein. Er kann für DC/DC-Wandler sowie für Wechselrichter eingesetzt werden. Effizienz der herkömmlichen Leistungselektronik basiert auf Siliziumhalbleiter und variiert in der Regel zwischen 85 und 95 Prozent. Das heißt, ca. 10 % der elektrischen Energie gehen bei jeder Leistungsumwandlung als Wärme verloren. Im Allgemeinen kann man sagen, dass der Wirkungsgrad der Leistungselektronik hauptsächlich von den Leistungsmerkmalen der Leistungshalbleiter begrenzt wird (Bild 1). Das Halbleitermaterial Siliziumkarbid (SiC) hat im Vergleich zu Silizium- Halbleitern eine fast zehnfache höhere elektrische Feldstärke (2,8 MV/cm gegenüber 0,3 MV/cm). Das ermöglicht das Aufbringen einer dünneren Schichtstruktur, der sogenannten Epitaxie- Bild 2: Bei hoher Schaltfrequenz ist eine hohe Leistung in der Verwendung von SiC erreichbar. ( Rohm) trächtlichen Reduzierung der Durchlassverluste führt. Die thermische Auslegung spielt bei den Leistungselektroniksystemen eine entscheidende Rolle, um eine hohe Leistungsdichte und somit kompakte Systeme auslegen zu können. SiC ist als Halbleitermaterial für diese Anwendungen hervorragend geeignet, da seine thermische Leitfähigkeit um fast das Dreifache höher ist als bei Si-Halbleitern. Darüber hinaus eignet sich SiC für höhere Betriebstemperaturen im Vergleich zu Si-Halbleitern. Verlustleistung Bild 1: Leistungselektronik spielt eine entscheidende Rolle bei der Elektromobilität. ( Rohm) Schichten, auf das SiC-Substrat. Diese entspricht einem Zehntel der Schichtdicke von Silizium-Epitaxie-Schichten. Die Dotierungskonzentrationen von SiC können zwei Größenordnungen höher als der ihrer Si-Pendants für die gleiche Sperrspannung erreichen. Somit verringert sich der Oberflächenwiderstand (RonA) des Bauteils, was zu einer be- Die Gesamtverlustleistung besteht aus statischen Verlusten und Schaltverlusten. Die statischen Verluste entstehen hauptsächlich während des Durchlasszustands eines Leistungsbauteils. Die Schaltverluste ergeben sich durch das Ein- und Ausschalten der Halbleiter. Je höher die Schaltfrequenz während des Betriebs, desto höher sind die Schaltverluste. Die Schaltfrequenz in leistungselektronischen Systemen wird oft durch die anwendungs- und systemspezifischen Grenzen definiert. Zum Beispiel wird die Schaltfrequenz beim elektrischen Antrieb durch die erforderliche Ausgangsfrequenz zum Motor bestimmt. Darüber hinaus spielen dabei andere Faktoren wie Resonanzverhalten des gesamten Systems, elektromagenti- www.hanser-automotive.de HANSER automotive 10 / 2016 3
TITEL sche Verträglichkeit (EMV) und Wärmemanagement eine große Rolle, um die verwendete Schaltfrequenz festzulegen. Neben der Verlustleistung im Leistungshalbleiter tritt auch eine Verlustleistung in den passiven Komponenten wie Transformatoren, Induktivitäten sowie Zwischenkreis-Kondensatoren auf. Das Zusammenspiel zwischen Leistungshalbleitern und den passiven Komponenten wie Induktivitäten und Transformatoren ist mittlerweile der entscheidende Faktor, um eine hohe Leistungsdichte im Gesamtsystem erreichen zu können. Deshalb müssen die physikalischen Eigenschaften sowohl der passiven Komponenten als auch der Halbleiter bei der Auslegung der Leistungselektronik berücksichtigt werden. Bei manchen Leistungselektroniksystemen im Fahrzeug wird eine hohe Schaltfrequenz bevorzugt, um die System-Anforderungen bzw. die Spezifikation zu erfüllen. Hier werden die Schaltverluste einen großen Anteil an der gesamten Verlustleistung im System übernehmen. Wenn Si-Halbleiter bei solchen Anwendungen mit hoher Schaltfrequenz verwendet werden, zwingen die hohe Verlustleistung und die daraus entstehende Wärme die Systementwickler, den Laststrom zu begrenzen, um die Funktion sowie die Zuverlässigkeit des Systems sicherzustellen. Mit anderen Worten: Eine hohe Schaltfrequenz führt zu weniger Leistung. Wenn aber auf hohe Lastströme nicht verzichtet werden kann, muss das Bauvolumen des Systems vergrößert werden. Diese Maßnahme wäre an dieser Stelle unabdingbar, entspricht aber nicht der Erwartung der Endanwender. Man kann mittlerweile behaupten, dass die Si- Halbleiter fast ihre Grenzen erreicht haben. Hohe Schaltfrequenz Vergleicht man einen SiC-MOSFET und einen Si-IGBT für Anwendungen mit hoher Schaltfrequenz, stellt man fest, dass durch die hohen Schaltverluste beim Si-IGBT und die daraus entstehende Wärme die Ausgangsströme reduziert werden müssen. Nur so kann die maximale zulässige Chip-Temperatur eingehalten werden. Bei SiC sieht das Bild anders aus. Der Halbleiter SiC weist ein besseres Schaltverhalten auf als der Si-IGBT, dementsprechend verursacht SiC weniger Schaltverluste bei hoher Schaltfrequenz. Demzufolge bekommt man in der Anwendung mehr Laststrom bei hoher Schaltfrequenz als beim Si-IGBT. Bild 2 zeigt einen Vergleich zwischen einem Rohm SiC-Halbbrückenmodul (BS- M300D12P2E001) und vier unterschiedlichen IGBT-Modulen vom Marktbegleiter. Auf diesem Bild ist zu erkennen, dass bei hoher Schaltfrequenz der SiC- MOSFET effizienter ist als der Si-IGBT. Bei der Verwendung eines 300-A-IGBT- Moduls und einer Schaltfrequenz von 40 khz konnte man in der Anwendung nicht mehr als 80 A rms Laststrom erhalten. Im Gegensatz dazu wäre bei der Verwendung eines Rohm-SiC-300-A- Moduls ein Laststrom von 200 A rms erreichbar. Durch die Verwendung eines effizienten Halbleitermaterials wie SiC kann man auch auf eine komplizierte Kühlung verzichten. Dies führt zu einer Reduktion der Kühlungskosten und einer einfacheren Handhabung bei der Anwendung des Systems. Miniaturisierung Aus den Anwendungsszenarien eines Elektrofahrzeugs werden verschiedene Anforderungen von den Automobilherstellern an die Leistungselektroniksysteme gestellt. Diese sind z. B. Beständigkeit gegenüber Temperaturwechsel, Vibrationsfestigkeit, Betriebsbereitschaft bei unterschiedlichen Temperaturen sowie lange Lebensdauer. Darüber hinaus wird mittlerweile eine Anforderung wie hohe Leistungsdichte von den integrierten Systemen für die Automobilhersteller als selbstverständlich betrachtet. Alle diese Anforderungen stellen aber für die Leistungselektronik eine große Herausforderung dar. Ladesysteme Bild 3: Die Vorteile von SiC sind beim Vergleich zwischen einem Si- IGBT und einem SiC-MOSFET auf Systemebene erkennbar. ( Rohm) Die Reichweite ist eine der größten Hürden für die Verbreitung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Damit der Endkunde von der Elektromobilität überzeugt werden kann, setzen mehrere Autohersteller zurzeit auf Ladesysteme mit schneller Ladezeit. Damit soll die Anwendung von E-Autos einfacher werden. Aber eine schnelle Ladung bedeutet, dass eine höhere Ladeleistung innerhalb kurzer Zeit erforderlich ist, um die Batterie aufzuladen. Da das Volumen des verfügbaren Raums innerhalb des Fahrzeugs begrenzt ist, muss das Batterieladesystem eine hohe Leistungsdichte aufweisen. Nur so können solche Systeme im Fahrzeug integriert werden. www.hanser-automotive.de HANSER automotive 10 / 2016 4
Mentor Graphics Softing TITEL Batterieladegeräte bestehen aus verschiedenen Komponenten der Leistungsumwandlung. Zu nennen sind z. B. Halbleiter (wie Dioden, MOSFETs), passive Komponenten (z. B. Induktivitäten und Kondensatoren) sowie Transformator mit angepassten Übersetzungsverhältnissen, um die Batterie mit der erforderlichen Spannung aufzuladen. Da-rüber hinaus dient der Transformator dazu, die Hochvoltbatterie beim Ladevorgang galvanisch vom Netz zu entkoppeln. Sonderdruck aus HANSER Automotive 10/2016 Oktober 2016 Jahrgang 15 15,80 www.hanser-automotive.de 10 2016 40 Simulation von Lichtsystemen 10 ODX-/OTX-basierter Servicetester 30 Infineon Technologies Sicherer Software- Update Over the air Impressum Verlag Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG Kolbergerstraße 22, 81679 München Druck alpha-teamdruck GmbH, Haager Str. 9, 81671 München Carl Hanser Verlag, München. Alle Rechte, auch die des Nachdrucks, der photomechanischen und elektronischen Wiedergabe sowie der Übersetzung dieses Sonderdrucks, behält sich der Verlag vor. www.hanser-automotive.de Eine Möglichkeit, den Bauraum der Leistungselektronik zu miniaturisieren, ist die kompaktere Auslegung passiver Komponenten wie Induktivitäten und Transformatoren. Dies ist in der Regel aber nur möglich, wenn die verwendeten Halbleiter in dem gleichen Schaltkreis mit hoher Schaltfrequenz angesteuert werden können. Bei Si-Halbleitern wird bei hoher Schaltfrequenz die thermische Belastung diesen Ansatz begrenzen. Durch sein hervorragendes Schaltverhalten eignet sich der SiC- MOSFET für solche Anwendungen sehr gut. In Bild 3 wird dies verdeutlicht: Bei einem DC/DC-Wandler mit Si-Halbleiter wird die Schaltfrequenz bei 25 khz begrenzt. Verwendet man einen SiC- MOSFET, ist eine Schaltfrequenz von 160 khz möglich. Dies führt dazu, die Wickelgüte im gesamten System wesentlich zu miniaturisieren. Damit kann man eine hohe Leistungsdichte erreichen und das gesamte Gewicht stark reduzieren. Fazit Die Vorteile von SiC-Halbleitern sind mittlerweile erkannt worden. Erste Produkte von Rohm (SiC-Dioden) sind bei Batterieladegeräten unterschiedlicher Leistungen in verschiedenen Fahrzeugen im Einsatz. In Kürze wird der erste Automotive-qualifizierte SiC-MOSFET auf den Markt kommen. Das Angebot von Rohm bei der zweiten Generation der SiC-SBDs umfasst derzeit Produkte für 650 V von 5 bis 100 A sowie für 1200 V und 1700 V mit Stromtragfähigkeiten bis 50 A. Bei SiC-MOSFETs ist das Angebot von Rohm noch umfangreicher. Hier stehen zwei unterschiedliche Technologien bereit: Die Planartechnologie sowie die Double-Trench-Technologie. Die Planartechnologie bietet diskrete Produkte und Module im Spannungsbereich 650 V, 1200 V und 1700 V mit Stromtragfähigkeiten von bis zu 300 A. Rohm startet ebenso die Volumenproduktion der dritten Generation der SiC-MOS bei diskreten Bauteilen sowie bei SiC-Modulen mit der selbst entwickelten Double-Trench-Technologie, welche die bestehende MOSFET-Produktfamilie nochmals erweitert. W (oe)»» www.rohm.com/eu Aly Mashaly ist bei der Rohm Semiconductor GmbH tätig und verantwortlich für die Power-Systems-Abteilung für den europäischen Markt. Energieeffiziente und nachhaltige Systeme mit SiC ROHM Semiconductor als führender Anbieter für SiC hat sich über Jahre hinweg darauf konzentriert, SiC als Werkstoff für Leistungshalbleiter der nächsten Generation zu entwickeln. Dabei gelang es, die Leistungsaufnahme zu senken und den Wirkungsgrad zu steigern. Umfangreiches Produktangebot SiC-Wafer, Schottky-Dioden, MOSFETs Diskrete Bauelemente und Module Vollständige Qualitäts- und Supply-Chain-Kontrolle Hauseigenes, integriertes Fertigungssystem vom Substrat bis zum Modul. SMALLER STRONGER FASTER Führende Technologie ROHM ist weltweit der erste Halbleiteranbieter, der SiC Trench MOSFETs in Massenproduktion fertigt. Umfassender System-Support System-Spezialisten stehen vor Ort mit umfassender Applikations-Unterstützung zur Verfügung. www.rohm.com/eu
SMALLER STRONGER FASTER Sign Up ROHM E-Newsletter www.rohm.com/eu