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Siliziumkarbid als Basis für Leistungskomponenten

| Autor / Redakteur: Torben Niermeyer* und Jens Egbers** / Dr. Anna-Lena Gutberlet

Bild 1: SiC DC/DC-Wandler mit 20 kW (links) und IGBT DC/DC-Wandler mit 15 kW (rechts)
Bild 1: SiC DC/DC-Wandler mit 20 kW (links) und IGBT DC/DC-Wandler mit 15 kW (rechts) (Bild: Wolfspeed)

Siliziumkarbid ist nicht nur eine Technologie für einige wenige Spezialanwendungen, sie ermöglicht die Entwicklung einer breiten Palette an innovativen, effizienten Lösungen.

Eine höhere Effizienz, kompakte Maße, eine geringere Komplexität, ein niedrigeres Gewicht und nicht zuletzt eine Reduzierung der Kosten spielen bei Systemkomponenten im Bereich Leistungselektronik eine immer größere Rolle. Das gilt für alle Anwendungsbereiche, in denen mit MOSFETs oder IGBTs bestückte DC/DC-Wandler und Wechselrichter zum Einsatz kommen.

Dazu zählen Antriebe von Elektrofahrzeugen und Motoren, die in der Industrie verwendet werden. Weitere Anwendungsbeispiele sind Solarmodule, Stromspeicher, Ladegeräte und Stromversorgungen. Bei all diesen Applikationen kann Siliziumkarbid (SiC) seine Vorteile ausspielen.

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Denn im Vergleich zu Komponenten, die auf Silizium (Si) basieren, weisen Module, Dioden und MOSFETs auf Grundlage von Siliziumkarbid unter anderem eine höhere Leistungsdichte, deutlich geringere Schaltverluste und eine bis zu etwa zehn Mal höhere Durchbruchfeldstärke auf. Hinzu kommen Vorzüge wie die bessere thermische Leitfähigkeit und niedrigere Leitungsverluste.

Beispiel: Elektroantriebe für Fahrzeuge

Geringere Leitungsverluste wirken sich insbesondere bei Anwendungen im niedrigen Frequenzbereich positiv aus. Ein Beispiel sind Power-Komponenten für Fahrzeuge mit Elektromotoren. Das haben Untersuchungen mit 90-kW-IPM-Motoren (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) ergeben, die auf Testzyklen der amerikanischen Umweltbehörde EPA (Environmental Protection Agency) beruhen. Die EPA hat entsprechende Vorgaben für Fahrten in der Stadt und auf Überlandstraßen (Highways) ausgewiesen.

Verglichen wurden ein IPM-Antrieb mit SiC-MOSFET mit 900 V und ein Modell mit einem Si-IGBT, der für 600 V spezifiziert ist. Das Ergebnis: Die Antriebe mit SiC-Leistungskomponenten weisen geringere Verluste bei den Wechselrichtern auf. Je nach Fahrzyklus liegen sie um 65 bis 73 Prozent niedriger.

Hinzu kommen Einsparungen bei Gewicht und Platzbedarf, weil die Leistungselektronik bei Verwendung von SiC um bis zu 80 Prozent kompakter ausfällt. Die Faktoren schlagen sich in einer um 10 Prozent größeren Reichweite von Elektrofahrzeugen nieder. Bekanntlich ist gerade dies einer der kritischen Punkte, der die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen maßgeblich mit bestimmt.

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