Siliziumkarbid-Chips für Elektrofahrzeuge (EVs)

Siliziumkarbid und andere Materialien mit breiter Bandlücke haben in der Automobilindustrie einen Durchbruch erzielt, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumchips eine erhebliche Verringerung der Leistungsverluste bewirken und gleichzeitig kleinere Komponenten für Elektrofahrzeuge ermöglichen, was zu einem effektiveren Energiemanagement, leichteren Batterien und längeren Reichweiten führt.

Verbesserte elektrische Leitfähigkeit

Silizium ist seit langem das bevorzugte Halbleitermaterial in der Elektronik, doch seine begrenzte Leistung schränkt viele Anwendungen ein. Halbleitermaterialien mit breiter Bandlücke bieten höhere Durchbruchsspannungen und Betriebstemperaturen, die eine effektivere Leistung der Leistungselektronik ermöglichen.

Siliziumkarbid bietet die 10-fache elektrische Feldstärke von Silizium, was eine dünnere aktive Zone und einen höheren Dotierungsgrad in Hochspannungsbauteilen mit niedrigeren Serienwiderständen im Bereich von 600 V bis zu Tausenden von V ermöglicht. Außerdem können mit diesem Material mehr Leistungsbauteile konfiguriert werden, die verschiedene Spannungsfestigkeitsbereiche unterstützen - von 600 V bis zu Tausenden von V.

Siliziumkarbid weist auch eine geringe Konzentration von Ladungsträgern bei Raumtemperatur auf. Dies mag auf den ersten Blick nicht wichtig erscheinen, doch wird seine Bedeutung bei Hochtemperaturanwendungen deutlich: Siliziumbauteile funktionieren bei bestimmten Temperaturen oft nicht mehr, weil thermisch freigesetzte Elektronen ihnen eigene Ladungsträger hinzufügen; bei Siliziumkarbid stellt sich dieses Problem jedoch nicht, da die geringere Ladungsträgerkonzentration bedeutet, dass die Bauteile bis zu Temperaturen von 250 oder 300 °C zuverlässig funktionieren.

Aufgrund dieser Vorteile bemühen sich die Akteure der Branche, die Siliziumkarbidproduktion so schnell wie möglich in Betrieb zu nehmen. Eine solche Partnerschaft besteht zwischen Roseville Fab und onsemi, die vereinbart haben, 6-Zoll-Wafer (150 mm) von Siliziumkarbid-Leistungschips für ihre Kunden auf dem EV-Markt zu liefern.

Bessere Wärmeableitung

Silizium ist weithin als Halbleiter der Wahl in elektronischen Geräten anerkannt, doch selbst dieses Material hat seine Grenzen. Daher wächst das Interesse an Materialien mit breiter Bandlücke wie SiC, die diese Einschränkungen überwinden und es der Elektronik ermöglichen, kleiner zu sein, schneller zu laufen und bei höheren Temperaturen und Spannungen zu funktionieren.

SiC hat eine viel höhere Energielücke als Silizium (3,26 eV gegenüber 1,6 eV), wodurch es viel höhere Temperaturen, Spannungen und Ströme leichter aushalten kann, wodurch elektronische Komponenten auf SiC-Basis kleiner und leichter werden und weniger Strom verbrauchen, was zu einer höheren Systemeffizienz beiträgt.

Hochspannungs-SiC-Bauteile bieten nicht nur eine effizientere Leistung, sondern auch eine höhere Zuverlässigkeit als Silizium-Alternativen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Siliziumkarbid-Chips die Wärme viel effektiver ableiten. Dadurch wird das Risiko von Überhitzungsschäden verringert und die Lebensdauer elektronischer Komponenten wie MOSFETs und Schottky-Dioden verlängert.

SiC wird bereits in vielen High-End-Anwendungen wie Elektrofahrzeugen (EV), Solarwechselrichtern und industriellen Motorantrieben eingesetzt. Die Nachfrage nach diesen Bauelementen ist exponentiell gewachsen, was dazu geführt hat, dass das Angebot die Nachfrage übersteigt. Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat Onsemi seine vertikale Integrationspraxis erweitert, um eine ununterbrochene Versorgung mit hochwertigen Siliziumkarbid-Leistungsbauelementen zu gewährleisten - einschließlich EliteSiC-Leistungsmodulen mit vollwertigen SiC-MOSFETs, von Bare-Die-Lösungen bis hin zu Modulen mit gelgekapseltem Gehäuse und transfergeformten Modulen - die vertikale Integration von Onsemi trägt dazu bei, eine ununterbrochene Versorgung mit hochwertigen Siliziumkarbid-Leistungsbauelementen zu gewährleisten. Onsemi hat auch seine vertikale Integration erweitert, um eine ununterbrochene Versorgung zu gewährleisten. Lernen Sie drei überzeugende Gründe kennen, sich für Onsemi EliteSiC-Leistungsmodule zu entscheiden - von Bare-Die-Lösungen bis hin zu Modulen mit Gel-gekapseltem Gehäuse, die alle mit SiC-MOSFETs ausgestattet sind!

Geringeres Gewicht

Siliziumkarbid-Chips bieten höhere Temperaturen, Spannungen und Frequenzen als ihre Silizium-Halbleiter-Pendants und eignen sich daher für Hochleistungsanwendungen wie Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge auf der Erde oder Weltraumforschungsinstrumente wie Rover oder Sonden (Mantooth, Zetterling & Rusu).

Siliziumbatterien sind energieeffizienter als ihre Gegenstücke aus Silizium, da die Verluste um bis zu 50 % reduziert werden, was zu mehr Energie für den Antrieb des Fahrzeugs und einer größeren Reichweite mit einer Batterieladung führt.

Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid sind für Erstausrüster von Elektrofahrzeugen (OEMs) eine attraktive Option geworden. Bosch hat kürzlich angekündigt, SiC-Chips für Wechselrichter und Umrichter von Elektrofahrzeugen in Serie zu produzieren, um die Qualität, Zuverlässigkeit und Effizienz zu verbessern und gleichzeitig Größe und Gewicht zu verringern.

Im Werk von Reutlingen in Deutschland ist ein Ingenieurteam unter der Leitung der 26-jährigen Allison Suba aus Roseville damit beschäftigt, die Wiederaufnahme der Produktion vorzubereiten. Sie machen sich mit neuen Prozessen vertraut, montieren Wafer auf Rahmen für die Verarbeitung in einer Würfelschneidemaschine und überprüfen sie auf Fehler.

Das Unternehmen plant die Umstellung auf 150-Millimeter-Wafer, die derzeit für die Produktion verwendet werden. Dadurch können mehr Chips pro Produktionslauf hergestellt und erhebliche Skaleneffekte erzielt werden, während gleichzeitig die Markteinführungszeit für neue Chips verkürzt wird.

Höhere Effizienz

Siliziumkarbid-Chips sind ein wesentlicher Bestandteil der Elektromobilität. Ihr Einsatz bei der Reichweitenverlängerung von Elektrofahrzeugen durch geringere Leistungsverluste und höhere Effizienz hat sich bewährt; außerdem verbessern sie die Energieeffizienz der IT-Infrastruktur, indem sie Kühlsysteme überflüssig machen und so Platz, Gewicht und Kosten sparen.

Halbleiter sind Materialien, die sich je nach Spannung oder Lichtintensität sowohl leitend (wie elektrische Leitungen aus Kupfer) als auch isolierend verhalten. Die große Bandlücke von Siliziumkarbid macht es effizienter bei der Übertragung von elektrischem Strom als herkömmliche Silizium-Halbleiter, wodurch es sich für Leistungselektronik wie Antriebswechselrichter für Elektrofahrzeuge sowie Gleichspannungswandler für Rechenzentren, Klimaanlagen und Ladegeräte eignet.

SiC zeichnet sich im Vergleich zu Siliziumchips durch eine bessere Wärmeableitung aus, d. h. es kann bei höheren Temperaturen zuverlässig arbeiten, ohne zu überhitzen. Siliziumchips stoßen in der Regel zwischen 250 und 300 °C an ihre Grenzen, während SiC-Chips bei Temperaturen von bis zu 500 °C zuverlässig arbeiten.

SiC wird derzeit in Server-Netzteilen und in der Unterhaltungselektronik eingesetzt, die eine hohe Leistung bei hohen Betriebstemperaturen erfordern, darunter auch in Server-Netzteilen für Server. Ihre höhere Effizienz trägt dazu bei, den Stromverbrauch und die Treibhausgasemissionen in der gesamten Weltwirtschaft zu senken. Mit der Zeit wird Siliziumkarbid den Ersatz von Technologien durch leichtere Alternativen ermöglichen, die niedrigere Betriebskosten und eine längere Lebensdauer als die derzeit auf dem Markt befindlichen Technologien bieten.