Halbleiter mit großer Bandlücke gestalten das Transportwesen neu

Der gesamte Verkehrssektor befindet sich in einem radikalen Umbruch: Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (ICE) werden allmählich durch weniger umweltschädliche Elektro- und Hybridautos und sauberere Massentransportmittel (Züge, Flugzeuge und Schiffe) ersetzt. Um die Treibhausgasemissionen einzudämmen und die globale Erwärmung abzuschwächen, werden Lösungen benötigt, die die Effizienz maximieren und die Umweltbelastung reduzieren.

Halbleiter mit breiter Bandlücke (WBG) weisen mehrere Eigenschaften auf, die sie für Anwendungen im Verkehrswesen attraktiv machen. Ihr Einsatz kann zu effizienteren, schnelleren und leichteren Fahrzeugen mit größerer Reichweite und geringeren Umweltbelastungen führen.

Eigenschaften von WBG-Materialien

Materialien mit breiter Bandlücke verändern den Bereich der Leistungselektronik aufgrund ihrer Vorteile gegenüber dem üblicherweise verwendeten Silizium (Si) rasch. Während Silizium eine Bandlücke von 1,1 Elektronenvolt (eV) aufweist, haben WBG-Materialien eine Bandlücke von 2 bis 4 eV. Außerdem ist das elektrische Durchbruchsfeld der meisten WBG-Halbleiter wesentlich höher als das von Silizium. Das bedeutet, dass sie bei deutlich höheren Temperaturen und Spannungen betrieben werden können, was zu höheren Leistungen und geringeren Verlusten führt. In Tabelle 1 sind die wichtigsten Eigenschaften von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), den beiden beliebtesten WBG-Materialien, im Vergleich zu Silizium aufgeführt.

Tabelle 1: Vergleich der Eigenschaften von Si, SiC und GaN.

Die Hauptvorteile von SiC-Leistungsbauelementen im Vergleich zu Silizium-basierten Komponenten sind die folgenden:

• Geringe Schaltverluste: SiC-MOSFETs sind unipolare Bauelemente, die sehr geringe Ein- und Ausschaltverluste aufweisen. Diese Eigenschaft ermöglicht höhere Schaltfrequenzen bei geringeren Verlusten, was die Reduzierung von passiven und induktiven Komponenten erlaubt
• Geringe Leitungsverluste: Durch das Fehlen eines bipolaren Übergangs können SiC-Bauelemente auch die Verluste bei leichten Lasten oder Teillastbetrieb reduzieren
• Hohe Betriebstemperaturen: Siliziumkarbid bietet im Vergleich zu Silizium bessere thermische Eigenschaften. SiC weist über einen weiten Temperaturbereich niedrige Leckströme auf, was einen Betrieb über 200°C hinaus ermöglicht. Vereinfachte Kühlung und hervorragendes Wärmemanagement sind eine Folge dieser Eigenschaft
• Intrinsische Substratdiode: Dank dieser Eigenschaft können SiC-MOSFETs im Diodenmodus im dritten Quadranten betrieben werden und bieten so eine hervorragende Leistung in Leistungsanwendungen

Durch die Kombination der oben genannten Eigenschaften lassen sich SiC-Bauelemente mit höherer Leistungsdichte, höherem Wirkungsgrad, höheren Betriebsfrequenzen und geringerem Platzbedarf herstellen.

Die Hauptvorteile von GaN-Leistungsbauelementen im Vergleich zu Si- und SiC-Komponenten sind die folgenden:

• GaN-Bauelemente können im dritten Quadranten ohne Umkehrladung arbeiten, obwohl sie keine Substratdiode aufweisen. Infolgedessen ist keine antiparallele Diode erforderlich

• Geringe Gate-Ladung Q_G und niedriger Durchlasswiderstand R_DS(ON)) , was zu geringeren Betriebsverlusten und schnelleren Schaltgeschwindigkeiten führt
• Keine Sperrverzögerung, was zu geringeren Schaltverlusten und weniger EMI-Störungen führt
• Hohe dv/dt: GaN kann bei sehr hohen Frequenzen schalten und ist 4x schneller ein- und 2x schneller ausgeschaltet als SiC-MOSFETs mit ähnlichem R_DS(ON)

Anwendungen von WBG-Komponenten

Wie in Abbildung 1 hervorgehoben, gibt es Anwendungen, bei denen SiC und GaN die beste Leistung bieten, und andere, bei denen sich ihre Eigenschaften mit denen von Silizium überschneiden. Häufig sind GaN-Bauelemente die beste Wahl für Hochfrequenzanwendungen, während SiC-Bauelemente ein hohes Potenzial bei hohen Spannungen aufweisen.

Abbildung 1: Mögliche Anwendungen von Si-, SiC- und GaN-Bauelementen. (Quelle: Infineon)

Hybrid- und Elektrofahrzeuge

H/EVs nutzen verschiedene leistungselektronische Systeme, um Netz- oder Motorenergie in eine Form umzuwandeln, die für den Betrieb von Motoren und Zusatzgeräten geeignet ist. Die meisten H/EVs nutzen auch die regenerative Bremsung, bei der die Räder den Generator drehen, um die Batterie zu laden.

Der Traktionswechselrichter ist eine entscheidende Komponente in diesen Fahrzeugen. Er wandelt die Gleichstrom-Hochspannung aus den Batterien in Wechselstrom für den Betrieb des Drehstrommotors um (siehe Abbildung 2). Aufgrund der hohen Leistung werden in dieser Anwendung SiC-Bauelemente bevorzugt, die je nach Topologie des Wechselrichters eine Nennspannung von 650 V oder 1,2 kV aufweisen. SiC trägt zur Reduzierung von Verlusten, Größe und Gewicht bei und ermöglicht Lösungen mit kleinen Formfaktoren.

Abbildung 2: Hauptkomponenten eines H/EV. (Quelle: ROHM Semiconductor)

Das Onboard-Ladegerät (OBC) ist mit dem Stromnetz verbunden und wandelt die Wechselspannung in Gleichspannung um, um die Batterie zu laden. Die Ausgangsleistung des OBC liegt in der Regel zwischen 3,3 kW und 22 kW und beruht auf Hochspannungskomponenten (600 V und mehr). Zwar sind sowohl SiC als auch GaN für diese Anwendung geeignet, aber die Eigenschaften von GaN, wie hohe Schaltfrequenz, geringe Leitungsverluste sowie geringes Gewicht und Größe, machen es zur idealen Lösung für die Implementierung von OBCs.

Eine weitere Anwendung von WBGs in H/EVs ist der Niederspannungs-DC/DC-Wandler (LV), der die Batteriespannung (200 V in HEVs, über 400 V in EVs) auf die 12V/48V-DC-Spannung reduziert, die für die Stromversorgung der Hilfssysteme erforderlich ist. Der Niederspannungswandler hat eine typische Leistung von weniger als 1 kW und kann mit GaN- und SiC-Bauelementen höhere Frequenzen erreichen.

Tabelle 2 fasst zusammen, wie Si, SiC und GaN die Anforderungen der oben genannten H/EV-Anwendungen erfüllen.

Tabelle 2: Anwendungen von WBGs in H/EVs und Vergleich der Leistung mit Si.

Schienenverkehr

Elektrische Züge beziehen den Strom über eine Oberleitung oder eine dritte Schiene aus dem Netz und wandeln ihn in eine für die Motoren und die Hilfssysteme geeignete Form um. Wenn der Zug an einer Wechselstromleitung betrieben wird, müssen ein Transformator und ein Gleichrichter die Spannung herunterwandeln und in Gleichstrom umwandeln. Die Gleichspannung wird dann aufgeteilt und über Wechselrichter an den Bedarf der Hilfs- und Traktionssysteme geliefert.

Der Traktionswechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, um die Motoren anzutreiben, und wandelt den durch das regenerative Bremsen erzeugten Strom wieder um. Daher ist dieser Konverter für einen bidirektionalen Energiefluss ausgelegt. Der Hilfswechselrichter hingegen liefert Strom für die Kühlsysteme, den Fahrgastkomfort und andere nicht bewegungsbezogene Bedürfnisse.

Die Größe der Leistungselektronik im Traktionsumrichter hängt von der Zugklasse ab:

• Transitzüge: 1,2 kV bis 2,5 kV
• Nahverkehrszüge: 1,7 kV bis 3,3 kV
• Intercity-Züge: über 3,3 kV

Die meisten Züge verwenden jedoch entweder 3,3 kV oder 1,7 kV.

Das regenerative Bremsen, bei dem ein Teil des Stroms in das örtliche Netz, das Bahnstromverteilungssystem oder die Energiespeicherung zurückgespeist wird, macht das System komplizierter als bei den zuvor genannten Anwendungen. Regenerierte Energie muss sofort gespeichert oder verwendet werden, sonst ist sie verloren.

Bipolare Si-basierte IGBTs und Freilaufdioden, die traditionell in Leistungsmodulen für Bahnanwendungen eingesetzt werden, können durch unipolare SiC-basierte MOSFETs und Dioden ersetzt werden, wodurch sich die Schaltfrequenz und die Leistungsdichte erhöhen.

Die Leitungs- und Schaltverluste müssen gesenkt und die maximale Sperrschichttemperatur erhöht werden, um das Gewicht und das Volumen der leistungselektronischen Geräte zu reduzieren, die in der Bahntechnik eingesetzt werden. Bei den weit verbreiteten bipolaren Silizium-Leistungsbauelementen haben steigende Leitungsverluste und sinkende Schaltverluste entgegengesetzte Auswirkungen. Bei einem unipolaren Bauelement gibt es keinen Kompromiss zwischen Leitungs- und Schaltverlusten wie bei bipolaren Bauelementen. Dadurch konnten die Schaltverluste reduziert und gleichzeitig die Leitungsverluste minimiert werden.

Mit der WBG-Leistungselektronik können die Leistungsverluste in der elektrischen Schiene drastisch reduziert werden. Dadurch wird weniger Energie aus dem Netz entnommen und mehr durch regeneratives Bremsen zurückgewonnen. WBG-Komponenten bieten neben der Effizienzsteigerung auch weitere Vorteile, die dem Schienenverkehr erheblich helfen, wie z. B.:

• Geringeres Gewicht hat erhebliche Auswirkungen auf die Effizienz
• Höhere Betriebstemperatur ermöglicht ein kleineres Kühlsystem
• Die erhöhte Schaltfrequenz ermöglicht kleinere Abmessungen, was das Gewicht der Antriebs- und Hilfsumrichter senkt. Wechselrichter und Motor können dank der höheren Schaltfrequenz schneller auf Bedarfsschwankungen reagieren, was den Wirkungsgrad erhöht. Da die höhere Frequenz weniger hörbar ist und die Kühlgebläse abgeschaltet werden können, wären die Bahnhöfe weniger laut, wenn Züge unterwegs sind.

Anwendungen in der Schifffahrt und Luftfahrt

Innovationen in der Leistungselektronik kommen der Schifffahrtsbranche seit langem zugute. Auf dem Schiff wird Strom auf Mittelspannungsebene von Synchrongeneratoren, die von Dieselmotoren angetrieben werden, an verschiedene Verbraucher geliefert. Dazu gehören vor allem Antriebsstromrichter (eine Mischung aus AC/DC- und DC/AC-Wandlern) und andere Verbraucher.

Jüngste Trends in der Schifffahrt gehen dahin, Wechselstromverteilungsnetze durch Gleichstromverteilungsnetze zu ersetzen. Mit dieser Lösung entfällt die Notwendigkeit, die Generatoren mit der Wechselstromverteilung zu synchronisieren, vorausgesetzt, sie können mit variablen Drehzahlen betrieben werden, und es lassen sich Kraftstoffeinsparungen erzielen. Andererseits erfordert es die Einführung von Gleichrichterschaltungen (AC/DC-Wandler) zwischen AC-Generatoren und dem DC-Stromverteilungsnetz.

Frequenzumrichter für Schiffsantriebe sind wichtige Schiffskomponenten, die extrem zuverlässig arbeiten müssen. Sie haben häufig eine Leistung von einigen Watt bis zu einigen zehn Megawatt. Oft sind diese Antriebe die wichtigsten Energieumwandlungsblöcke in einem Schiff mit AC-Stromverteilung. Daher ist ihre hohe Effizienz entscheidend.

Einmal mehr werden herkömmliche Leistungsbauelemente auf Siliziumbasis durch SiC- und GaN-Bauelemente ersetzt, die die Effizienz erhöhen und gleichzeitig Größe und Gewicht reduzieren. WBG-Bauteile werden Si-basierte Bauteile bald als Branchenführer ablösen und innovative Systemlösungen für die Leistungselektronik bieten, die mit der Siliziumtechnologie unmöglich sind.

Künftige, von Brennstoffturbinen angetriebene elektrische Generatoren werden die Hauptantriebskraft für hybride und vollelektrische Avionik-Antriebssysteme sein. Anschließend wird die Leistungselektronik zur Verbindung von Generator und Motor eingesetzt. Damit genügend Leistung zur Verfügung steht, sind Bussysteme mit sehr hohen Gleichspannungen erforderlich. Die Spannungen dieser Busse reichen von einigen kV für leichte Fahrzeuge bis zum MV-Bereich für Flugzeuge. Außerdem ermöglicht ein Bus mit hoher Gleichspannung den Einsatz von Permanentmagnet-Synchronmaschinen als Generatoren, was die Blindleistung und die Leistung der Leistungselektronik senkt. Die Stromrichter benötigen Komponenten, die aufgrund der hohen Generatordrehzahl mit hohen Schaltfrequenzen arbeiten können, was zu kleineren und leichteren Filterelementen führt.

Siliziumkarbid ist das vielversprechendste Halbleiterbauelement, das alle Anforderungen erfüllt und gleichzeitig eine hohe Umwandlungseffizienz gewährleistet. Für Flugzeuge im unteren Leistungsbereich sind die neu entwickelten 3,3kV- und 6,5kV-SiC-MOSFETs von großem Interesse. Sie können auch in modularen Stromrichtertopologien eingesetzt werden, um die höheren Spannungs-/Leistungsanforderungen größerer Flugzeuge zu erfüllen.

Fazit

Halbleiter mit breiter Bandlücke, wie z. B. Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), bieten gegenüber herkömmlichen Halbleitern mehrere Vorteile: Sie können hohe Spannungen und Temperaturen bei geringerer Verlustleistung verarbeiten. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sie sich besonders gut für die Leistungselektronik in verschiedenen Anwendungen, darunter auch im Verkehrswesen.

WBG-Halbleiter werden in der Transportindustrie eingesetzt, um effizientere und zuverlässigere Elektro- und Hybridfahrzeuge zu entwickeln. Die geringere Verlustleistung von Halbleitern mit breiter Bandlücke ermöglicht höhere Schaltfrequenzen, wodurch sich Größe und Gewicht der Leistungselektronik verringern. Dies wiederum kann zu einer größeren Reichweite des Fahrzeugs, kürzeren Ladezeiten und einer verbesserten Gesamtleistung führen.

Halbleiter mit breiter Bandlücke ermöglichen auch die Entwicklung kompakterer und effizienterer Antriebsstränge, einschließlich Motorantrieben und Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge. Durch die Verringerung der Größe und des Gewichts dieser Komponenten können die Fahrzeugkonstrukteure Platz für andere Komponenten schaffen oder die Gesamtaerodynamik des Fahrzeugs verbessern.

Neben Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen werden Halbleiter mit breiter Bandlücke auch in anderen Verkehrsmitteln wie Flugzeugen und Zügen eingesetzt. In diesen Anwendungen können die Hochtemperatur- und Hochspannungseigenschaften von Halbleitern mit breiter Bandlücke die Effizienz und Zuverlässigkeit der Leistungselektronik verbessern, was zu geringeren Betriebskosten und höherer Sicherheit führt.