Source: This article comes from John Palmour, chief technical officer of Wolfspeed, Cree.

Viele Stromversorgungssysteme vollziehen derzeit den Übergang von Silizium (Si) zu Siliziumkarbid (SiC). Dies ist die größte Umstellung in der Leistungshalbleiterindustrie seit dem Übergang von Bipolartransistoren zu IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) in den 1980er-Jahren. Dieser Wandel findet zu einer Zeit statt, in der viele der betroffenen Branchen einen außergewöhnlichen Umbruch erleben. Von der Automobilindustrie bis zur Solarenergie sind die Vorteile von Siliziumkarbid (SiC) nicht mehr zu übersehen. Trotz dieses tiefgreifenden Wandels arbeiten alle wichtigen Akteure daran, Siliziumkarbid (SiC) noch stärker in ihre Technologien zu integrieren.

Die Automobilindustrie ist ein Paradebeispiel für eine moderne Branche im beispiellosen Wandel. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts wird sie den Übergang von Verbrennungsmotoren zur Elektromobilität vollziehen. Die Umwandlung von Silizium (Si) in Siliziumkarbid (SiC) spielt eine entscheidende Rolle dabei, Elektrofahrzeuge effizienter zu machen, um den Verbraucherwünschen gerecht zu werden und gleichzeitig die staatlichen Klimaschutzauflagen zu erfüllen. Siliziumkarbid-Lösungen (SiC) tragen dazu bei, Elektrofahrzeuge auf die nächste Stufe zu heben, indem sie Anwendungen wie Schnellladeinfrastruktur, Wechselrichter und Stromversorgungen verbessern und Fortschritte in Bereichen wie Telekommunikation, Militär und Luft- und Raumfahrt ermöglichen.

Abbildung 1. Cree-Mitarbeiter im Labor

Möglichkeiten für Elektrofahrzeuge

Automobilhersteller wie Tesla, Ford und Volkswagen haben angekündigt, in den kommenden zehn Jahren über 300 Milliarden US-Dollar in Elektrofahrzeuge zu investieren. Grund dafür sind die steigende Kundennachfrage und die verschärften staatlichen Vorschriften. Analysten prognostizieren, dass batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) bis 2030 15 % des Fahrzeugbestands ausmachen werden. Infolgedessen wird der Markt für Siliziumkarbid-Komponenten (SiC) für Elektrofahrzeuge in den nächsten Jahren exponentiell wachsen.

Angesichts des starken Fokus auf Elektrifizierung können Hersteller die Vorteile von Siliziumkarbid (SiC) nicht länger ignorieren. Siliziumkarbid (SiC) erhöht die Reichweite von Batterien, verbessert deren Leistung und verkürzt die Ladezeiten im Vergleich zur in herkömmlichen Elektrofahrzeugen verwendeten Siliziumtechnologie (Si). Daher haben viele Zulieferer Initiativen für Elektrofahrzeuge mit Cree angekündigt. Delphi Technologies beispielsweise entwickelt effizientere, kleinere und leichtere Wechselrichtersysteme mit Siliziumkarbid-Halbleitern (SiC), während die ZF-Gruppe vollelektrische Antriebsstränge entwickelt. Die ABB-Gruppe entwickelt und liefert verschiedene Stromversorgungssysteme auf Basis von Siliziumkarbid (SiC).

Effizienzverbesserung

Siliziumkarbid (SiC) weist deutlich geringere Schaltverluste als Silizium (Si)-basierte IGBTs auf. Darüber hinaus besitzen Siliziumkarbid-Bauelemente keine Eigenspannung und ihre Leitungsverluste sind wesentlich geringer. Dadurch bietet Siliziumkarbid (SiC) eine höhere Leistungsdichte, ist leichter und arbeitet bei höheren Frequenzen. In einem kürzlich durchgeführten Automobiltest reduzierte die Siliziumkarbid-Technologie (SiC) von Cree die Wechselrichterverluste im Vergleich zu Silizium (Si) um etwa 78 %.

In der Automobilindustrie lassen sich diese Effizienzsteigerungen in Antriebslösungen, Stromrichtern sowie On-Board- und Off-Board-Ladegeräten nutzen. Siliziumkarbid (SiC) kann die Gesamteffizienz von Elektrofahrzeugen im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-basierten Lösungen um 5 bis 10 % steigern. Hersteller können dies nutzen, um die Reichweite zu erhöhen oder den Bedarf an sperrigen und teuren Batterien zu reduzieren. Darüber hinaus verringert Siliziumkarbid (SiC) den Kühlbedarf, spart Platz und ist leichter als Silizium-basierte Lösungen. Siliziumkarbid (SiC) treibt auch Schnellladegeräte an, die die Reichweite derzeit in nur 5 Minuten um 75 Kilometer erhöhen.

Der kontinuierliche Preisverfall von Siliziumkarbid (SiC)-Lösungen hat zu einer weiteren Zunahme ihrer Verwendung geführt. Am Beispiel von Automobilen lässt sich zeigen, dass die in einem Elektrofahrzeug verwendeten Siliziumkarbid-Komponenten (SiC) je nach Leistungsbedarf einen Wert von etwa 250 bis 500 US-Dollar haben. Die Gesamteinsparungen für Automobilhersteller hinsichtlich Batteriekosten, Größe und Gewicht von Batterie und Wechselrichter sowie des Kühlbedarfs können bis zu 2,000 US-Dollar pro Elektrofahrzeug betragen. Obwohl viele weitere Faktoren den Übergang von Silizium (Si) zu Siliziumkarbid (SiC) vorantreiben, ist dieser Punkt von entscheidender Bedeutung.

Außerhalb der Automobilindustrie

Die Nachfrage aus der Automobilindustrie macht etwa die Hälfte des 9 Milliarden US-Dollar schweren Marktpotenzials von Cree für Siliziumkarbid (SiC) aus. Weitere wichtige Nachfragetreiber sind Solarenergie, Luft- und Raumfahrt sowie Kommunikationsinfrastruktur. Laut aktuellen Schätzungen von Canaccord Genuity wird die Nachfrage nach Siliziumkarbid (SiC) bis 2030 20 Milliarden US-Dollar übersteigen.

图2. Cree 650V MOSFET

Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter (SiC) helfen Industrie- und Energieunternehmen, die Leistungs- und Platzausnutzung zu optimieren. Siliziumkarbid (SiC) verleiht industriellen Hochfrequenz-Netzteilen und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) höhere Effizienz, höhere Leistungsdichte und geringeres Gewicht. Die Vorteile von Siliziumkarbid (SiC) überwiegen die Kosten bei Weitem. In diesen Bereichen bedeutet höhere Effizienz höhere Gewinne.

Im Bereich der Leistungselektronik ist Siliziumkarbid (SiC) deutlich effizienter als Silizium (Si) und weist die dreifache Leistungsdichte auf. Dadurch werden Hochspannungssysteme leichter, kleiner, effizienter und kostengünstiger. Diese überlegene Leistung hat einen Wendepunkt erreicht, und Hersteller können diese Entwicklung nicht länger ignorieren, wenn sie im heutigen Markt wettbewerbsfähig bleiben wollen.

Die Zukunft der Halbleiter

Die Kosten waren bisher ein großes Hindernis für die Einführung von Siliziumkarbid (SiC). Doch mit steigender Produktionsmenge und zunehmender Erfahrung sinken die Kosten kontinuierlich. Dadurch wurde auch die Fertigung effizienter und präziser. Zudem erkennen Kunden, dass der wahre Wert von Siliziumkarbid (SiC) auf Systemebene und nicht im Vergleich einzelner Bauteile liegt. Um den Bedarf verschiedener Branchen zu decken, wird die SiC-Fertigung weiter optimiert, die Produktion gesteigert und der Preis weiter sinken. Cree hat beispielsweise umfangreiche Investitionen getätigt, um diesen Bedarf zu decken. Dazu gehört der Bau eines Werks im US-Bundesstaat New York, das mit modernster Technologie arbeitet und die Standards der Automobilindustrie erfüllt. Dadurch wird die Produktionskapazität im Vergleich zu 2017 mehr als verdreißigfacht.

Der Übergang von Silizium (Si) zu Siliziumkarbid (SiC) ist keine Frage des Ob und Wann mehr – er findet bereits statt. Es ist spannend, die tiefgreifenden Veränderungen in vielen Branchen hautnah mitzuerleben. Die Zukunft dieser Branchen ist definitiv nicht statisch, und wir werden mit Sicherheit weiterhin beispiellose Entwicklungen erleben. Hersteller, die sich schnell an diese Veränderungen anpassen, werden davon erheblich profitieren.

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