Siliziumkarbid (SiC)-Komponenten für Elektrofahrzeuge

Wenn wir sic (ausgesprochen “see”) als Fehlermeldung in Klammern sehen, sind wir oft verwirrt. Erfahren Sie, wofür es steht und wie es verwendet werden sollte.

Siliziumkarbid-Bauelemente bieten viele Vorteile gegenüber diskreten Silizium-Bauelementen, einschließlich geringerer Leistungsverluste und höherer Schaltfrequenz/Betriebstemperatur/kleinerer Chipgröße - dies führt zu einer deutlich verbesserten Effizienz und Zuverlässigkeit.

Leistungselektronik

Da immer mehr Geräte elektrifiziert werden, benötigen wir effiziente Methoden zur Umwandlung elektrischer Energie. Die Leistungselektronik erbringt diese notwendige Dienstleistung - sie nimmt elektrische Rohenergie auf und wandelt sie in Formen um, die von Geräten genutzt werden können.

Von Lüfterreglern bis hin zu komplexeren Systemen in der Elektromobilität oder in industriellen Anwendungen müssen die Komponenten bei hohen Spannungen mit sehr geringen Schaltverlusten arbeiten und gleichzeitig kompakt sein, um eine einfache Handhabung und Sicherheit zu gewährleisten.

Immer mehr Entwickler wenden sich Halbleitern mit breiter Bandlücke wie Siliziumkarbid (SiC) zu. Im Vergleich zu seinem Silizium-Gegenstück bietet SiC eine bemerkenswerte bahnbrechende Leistung, die höhere Spannungen bei geringeren Schaltverlusten und damit einen höheren Wirkungsgrad ermöglicht, was zu einer höheren Leistungsdichte, niedrigeren Systemkosten und einer Gewichtsreduzierung führt - perfekt für platzbeschränkte Anwendungen wie Wandler oder Wechselrichter.

Littelfuse bietet ein umfangreiches Portfolio an diskreten SiC-MOSFETs in Industriequalität mit Durchbruchsspannungen von bis zu 1700 V und Schottky-Dioden mit Sperrspannungen von bis zu 650 V für eine verbesserte Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Pendants, die einen geringeren spezifischen Widerstand, ein schnelleres Schaltverhalten und drastisch reduzierte Schaltverluste im Vergleich zu ihren Silizium-Pendants bieten. Darüber hinaus reduziert ihre dreimal höhere Wärmeleitfähigkeit die Verluste beim Betrieb bei höheren Temperaturen weiter, was die Effizienz weiter erhöht und gleichzeitig die Kosten senkt.

Automobilindustrie

Siliziumkarbid (SiC), ein Halbleitermaterial mit breiter Bandlücke, ist durch die zunehmende Konzentration auf die Reduzierung von Emissionen und die Einführung von Elektrofahrzeugen in den Vordergrund gerückt. SiC-Komponenten verändern die Stromversorgungssysteme von Elektrofahrzeugen (EVs) rapide, um Effizienz, Leistung, Reichweite und Beschleunigung drastisch zu verbessern - sie übertreffen ihre Vorgänger durch erhebliche Kostensenkungsmaßnahmen und größere Reichweite und Beschleunigung.

Die hohe Temperaturbeständigkeit und Langlebigkeit von SiC-Bauelementen machen sie zu einer ausgezeichneten Wahl für den Einsatz in Leistungselektronikanwendungen, einschließlich On-Board-Ladegeräten, DC-DC-Wandlern, Traktionswechselrichtern und On-Board-Netzteilen. Ihre robuste Bauweise stellt sicher, dass sie über einen weiten Temperaturbereich hinweg funktionsfähig bleiben und gleichzeitig den strengen Umgebungsbedingungen im Automobilbereich standhalten; dadurch werden Leistungsverluste vermieden und die Effizienz des Gesamtsystems erhöht.

Dank ihrer kompakten Größe können SiC-Bauelemente problemlos größere Siliziumkomponenten ersetzen, was zu leichteren Energiesystemen mit geringerem Gesamtgewicht des Fahrzeugs führt, wodurch die Produktionskosten sinken und der Kraftstoffverbrauch sinkt.

Aufgrund dieser Vorteile setzen die Hersteller von Elektrofahrzeugen (EV) SiC-Stromversorgungsgeräte rasch in ihren Modellen ein. Bosch hat kürzlich 800 Mio. EUR in den Bau einer Waferproduktionsanlage und SiC-Reinräume in seinem Forschungszentrum investiert und SiC-Wechselrichtermodule für die EQ-Flotte von Mercedes-Benz geliefert.

Weltkonzerne wie STMicroelectronics, Infineon und Onsemi arbeiten mit chinesischen Automobilherstellern zusammen, um SiC-Lösungen für die Automobilindustrie anzubieten. Durch die enge Zusammenarbeit können diese Anbieter die Marktbedürfnisse besser verstehen und die Produktentwicklungsprozesse für kürzere Produktionszeiten beschleunigen.

Industriell

Siliziumkarbid (SiC) ist eines der am häufigsten verwendeten feuerfesten keramischen Materialien für industrielle Anwendungen. Es ist dafür bekannt, dass es sehr langlebig und korrosionsbeständig ist und Temperaturen von bis zu 2700 Grad Celsius standhält, ohne zu schmelzen oder sich zu zersetzen. Darüber hinaus ist es bei diesen extremen Temperaturen chemisch inert und besitzt die Fähigkeit, aggressiven Chemikalien standzuhalten, ohne zu schmelzen oder sich zu zersetzen!

Die Leistungselektronik ist ein Bereich, in dem sich SiC-Bauelemente als energieeffizienter erwiesen haben als ihre Silizium-Gegenstücke. Dies ist auf die geringeren Schaltverluste und die breitere Bandlücke zurückzuführen, die die Leistung in einem viel breiteren Temperaturbereich maximiert.

SiC wird zunehmend für große Leistungsanwendungen eingesetzt, die hohe Wirkungsgrade und eine hohe Leistungsdichte erfordern, wie z. B. Ladestationen für Elektrofahrzeuge und Stromerzeugungssysteme. Die Vorteile von SiC machen es zu einer attraktiven Lösung, einschließlich geringerer Gesamtsystemkosten durch reduzierte Größe und geringere Kühlanforderungen.

SiC hat auch das Potenzial, parasitäre Elemente, die die Systemleistung beeinträchtigen, erheblich zu verringern, was es zu einem unschätzbaren Element für fortschrittliche Systeme macht, die in rauen Umgebungen zuverlässig und effizient arbeiten müssen.

Zu den SiC-Produkten von Littelfuse gehören industrietaugliche MOSFETs und Schottky-Dioden mit Durchbruchspannungen von bis zu 1700 V in diskreten Gehäusen für Standard- und fortschrittliche diskrete Anwendungen. Sie bieten einen deutlich geringeren spezifischen Widerstand (Ron) und geringere Schaltverluste als ihre herkömmlichen Silizium-Entsprechungen, während sie gleichzeitig die Effizienz erhöhen und die Verlustleistung in den Geräten verringern.

Medizinische

Siliziumkarbid (SiC) hat sich als ideales Halbleitermaterial für implantierbare intelligente biomedizinische Geräte für die moderne Gesundheitsfürsorge erwiesen. Die inhärente chemische Beständigkeit von SiC in Kombination mit überlegenen mechanischen und hämokompatiblen Eigenschaften hat es zu einem attraktiven Kandidaten für langfristige implantierbare medizinische Geräte gemacht.

Der menschliche Körper kann eine unversöhnliche Umgebung sein. Jedes Gerät, das mit ihm interagiert, muss eine salzhaltige, ionische und proteinreiche Umgebung sowie das aktive Entzündungssystem des Patienten überstehen, das jeden fremden Eindringling schnell erkennt und sofort physikalische und chemische Angriffe - einschließlich Oxidationsmittel - gegen ihn einsetzt, um ihn loszuwerden. SiC-Bauteile sind chemisch sehr widerstandsfähig, so dass sie diesen Angriff auf ihre Oberflächen überstehen können, ohne zerstört zu werden.

Die Vielseitigkeit von SiC als elektrochemisches Substrat ermöglicht es, verschiedene elektronische Funktionen ohne direkten Kontakt mit Körperflüssigkeiten auszuführen. So kann beispielsweise ein aus SiC hergestellter Glukosesensor eine einfache Mikroelektrode verwenden, die Änderungen der Antennenresonanzfrequenz als Reaktion auf Änderungen des Blutzuckerspiegels misst.

MOSFETs können auch in Anwendungen wie der Magnetresonanztomographie (MRI) eingesetzt werden. Solche Systeme nutzen starke Magnetfelder und Radiowellen, um detaillierte Bilder von inneren Organen und Strukturen des Körpers zu erzeugen. SiC-MOSFETs bieten eine hervorragende Leistungseffizienz mit schnellen Schaltfrequenzen und arbeiten in einem weiten Temperaturbereich, was für solche komplexen Bildgebungssysteme unerlässlich ist.