Steigen Sie eine Treppe hinauf und steigern Sie die Elektrifizierung von SiC. Wie werden unsere Halbleiter die Leistung von Automobilen und anderen Industriezweigen in Zukunft verbessern? John Palmour, Chief Technology Officer von Wolfspeed of Cree Company

Viele Stromversorgungssysteme wechseln von Silizium- (Si) auf Siliziumkarbid- (SiC) Technologie. Dies ist der größte Wandel für die Leistungshalbleiterindustrie seit der Umstellung von Bipolarhalbleitern auf IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) in den 1980er Jahren. Parallel zu diesem Wandel erleben viele betroffene Branchen eine ungewöhnlich umfassende Transformation. Von der Automobilindustrie bis zur Solarenergie sind die Vorteile von Siliziumkarbid (SiC) deutlich spürbar. Im Zuge des Wandels bemühen sich alle großen Hersteller, Siliziumkarbid (SiC) stärker in ihre eigenen Technologien zu integrieren.

Die Automobilindustrie ist ein typisches Beispiel für den beispiellosen Wandel in der modernen Industrie. Im nächsten Jahrzehnt wird die Automobilindustrie vom Verbrennungsmotor zur Elektrifizierung wechseln. Die Umstellung von Silizium (Si) auf Siliziumkarbid (SiC) trägt maßgeblich dazu bei, dass Elektrofahrzeuge die Bedürfnisse der Verbraucher erfüllen und gleichzeitig die gesetzlichen Vorschriften zum Klimawandel erfüllen. Siliziumkarbid (SiC)-Lösungen ermöglichen Elektrofahrzeugen einen entscheidenden Fortschritt, indem sie Anwendungen wie Schnellladeinfrastruktur, Antriebswechselrichter und Stromversorgung modernisieren und den Fortschritt in der Telekommunikation sowie in der Luft- und Raumfahrt fördern.

Abbildung 1. Cree-Mitarbeiter im Labor

Gelegenheit für Elektrofahrzeuge

Angesichts der steigenden Verbrauchernachfrage und der Verschärfung staatlicher Vorschriften kündigten Automobilhersteller wie Tesla, Ford und Volkswagen an, in den nächsten zehn Jahren mehr als 300 Milliarden US-Dollar in Elektrofahrzeuge zu investieren. Analysten prognostizieren, dass der Anteil reiner Elektrofahrzeuge (BEV) bis 2030 15 % des gesamten Automobilbestands erreichen wird. Daher wird der Markt für Siliziumkarbid-Komponenten (SiC) für Elektrofahrzeuge in den nächsten Jahren exponentiell wachsen.

Die Elektrifizierung ist so wichtig, dass Hersteller die Vorteile von Siliziumkarbid (SiC) nicht länger ignorieren können. Im Vergleich zur Siliziumtechnologie, die in herkömmlichen Elektrofahrzeugen verwendet wird, kann Siliziumkarbid (SiC) die Batterielebensdauer verlängern, ihre Leistung verbessern und die Ladezeit verkürzen. Daher haben viele Zulieferer ihre Zusammenarbeit mit Cree bei der Entwicklung von Elektrofahrzeugen angekündigt. Beispielsweise entwickelt Delphi Technologies ein effizienteres, kleineres und leichteres Wechselrichtersystem auf Basis von Siliziumkarbid-Halbleitern (SiC), während die ZF Group einen vollelektrischen Antriebsstrang entwickelt. Die ABB Group entwickelt und liefert verschiedene Antriebssysteme auf Basis von Siliziumkarbid (SiC).

Effizienzverbesserung

Der Schaltverlust von Siliziumkarbid (SiC) ist deutlich geringer als der von Silizium-basierten IGBTs. Zudem verfügt Siliziumkarbid über keine interne Spannung, sodass der Leitungsverlust deutlich geringer ist. Daher weist Siliziumkarbid (SiC) eine höhere Leistungsdichte, ein geringeres Gewicht und eine höhere Betriebsfrequenz auf. In einem aktuellen Automobiltest reduzierte die Siliziumkarbid-Technologie (SiC) von Cree die Wechselrichterverluste im Vergleich zu Silizium (Si) um rund 78 %. Im Automobilsektor lassen sich diese Effizienzsteigerungen auf Antriebslösungen, Stromrichter sowie nicht-integrierte und integrierte Ladegeräte übertragen. Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-basierten Lösungen kann Siliziumkarbid (SiC) die Gesamteffizienz von Elektrofahrzeugen um 5 bis 10 % steigern. Hersteller können dies nutzen, um die Reichweite zu erhöhen oder den Einsatz sperriger und teurer Batterien zu reduzieren.

Darüber hinaus kann Siliziumkarbid (SiC) den Kühlbedarf reduzieren, Platz sparen und ist leichter als Silizium (Si)-basierte Systeme. Siliziumkarbid (SiC) unterstützt auch Schnellladegeräte, und die Akkulaufzeit kann derzeit nach fünf Minuten Ladezeit um 75 Kilometer erhöht werden.

Die kontinuierlich sinkenden Kosten für Siliziumkarbid (SiC)-Lösungen haben zu einer weiteren Zunahme ihrer Verbreitung geführt. Am Beispiel von Automobilen schätzen wir den Wert von Siliziumkarbid (SiC)-Komponenten in einem Elektrofahrzeug auf etwa 250 bis 500 US-Dollar (je nach Leistungsbedarf). Die Gesamtkosteneinsparungen der Automobilhersteller hinsichtlich Batteriekosten, Volumen und Gewicht von Batterien und Wechselrichtern sowie Kühlbedarf pro Elektrofahrzeug können bis zu 2,000 US-Dollar betragen. Obwohl viele Faktoren den Umstieg von Silizium (Si) auf Siliziumkarbid (SiC) vorantreiben, ist dies der Schlüssel.

Außerhalb der Automobilindustrie

Die Nachfrage der Automobilindustrie macht etwa die Hälfte des 9-Milliarden-Dollar-Potenzials von Cree im Bereich Siliziumkarbid (SiC) aus. Die übrigen Nachfragen werden vor allem aus den Bereichen Solarenergie, Luft- und Raumfahrt und Kommunikationsinfrastruktur getrieben. Laut einer aktuellen Prognose der Canaccord Genuity Company wird die Nachfrage nach Siliziumkarbid (SiC) bis 2030 20 Milliarden US-Dollar übersteigen.

Abbildung 2. Cree 650V MOSFET

Leistungsbauelemente aus Siliziumkarbid (SiC) können Industrie- und Energieunternehmen helfen, ihre Strom- und Raumnutzung zu optimieren. Siliziumkarbid (SiC) ermöglicht hochfrequente industrielle Stromversorgungen und unterbrechungsfreie Stromversorgungen mit höherer Effizienz, höherer Leistungsdichte und geringerem Gewicht. Die Vorteile von SiC übersteigen die Kosten bei weitem.

In diesen Bereichen bedeutet höhere Effizienz höhere Gewinne. Im Bereich der Leistungselektronik ist der Wirkungsgrad von Siliziumkarbid (SiC) deutlich höher als der von Silizium (Si), und seine Leistungsdichte ist dreimal so hoch wie die von Silizium (Si). Dadurch werden Hochspannungssysteme leichter, kleiner, effizienter und kostengünstiger. Diese hervorragende Leistung hat einen explosiven Punkt erreicht, und Hersteller können nicht länger die Augen davor verschließen, wenn sie auf dem aktuellen Markt wettbewerbsfähig bleiben wollen.

Halbleiter-Zukunft

Die Kosten sind das Haupthindernis für die Einführung von Siliziumkarbid (SiC). Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Produktion und der Erfahrung sinken jedoch auch die Kosten. Daher wird die Herstellung effizienter und raffinierter. Noch wichtiger ist, dass die Kunden erkannt haben, dass der wahre Wert von Siliziumkarbid (SiC) auf Systemebene und nicht auf Geräteebene liegt. Um den Anforderungen verschiedener Branchen gerecht zu werden, wird die Herstellung von Siliziumkarbid (SiC) weiter gefördert und die Produktion wird weiter steigen, wodurch der Preis weiter sinken wird. Cree hat, ausgehend von Cree, umfangreiche Investitionen getätigt, um dieser Nachfrage gerecht zu werden. Dazu gehört der Bau einer Fabrik im US-Bundesstaat New York, die modernste Technologie einsetzt und den Standards der Fahrzeugvorschriften entspricht. Dadurch wird die Produktionskapazität im Vergleich zu 30 mehr als 2017-mal so hoch sein.

Der Übergang von Silizium (Si) zu Siliziumkarbid (SiC) ist keine Frage mehr, ob und wann er stattfinden wird. Wir sind bereits mittendrin. Es ist spannend, die großen Veränderungen vieler Branchen mitzuerleben. Die Zukunft dieser Branchen wird nie statisch sein, und wir werden sicherlich weiterhin beispiellose Veränderungen erleben. Und Hersteller, die sich schnell an diese Veränderungen anpassen, werden sicherlich davon profitieren.