Energieeffizienz Siliziumkarbid-Technik hält Einzug in den Antrieben der Formel E

Redakteur: Gerd Kucera

Die Hochtemperatureignung bis 300 °C ist eine der besonderen Stärken von SiC-Halbleitern. Ideal für etwa die Elektromobilität, die hohe Leistungsdichte, Kompaktheit und Zuverlässigkeit verlangt.

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Dr. Kazuhide Ino, ROHM: „Mit dem Einsatz in der Formel E zeigen wir, dass unsere SiC-Dioden und SiC-Power-MOSFETs den Wirkungsgrad elektrischer Systeme deutlich steigern.“
Dr. Kazuhide Ino, ROHM: „Mit dem Einsatz in der Formel E zeigen wir, dass unsere SiC-Dioden und SiC-Power-MOSFETs den Wirkungsgrad elektrischer Systeme deutlich steigern.“
(Bild: ROHM)

Erklärtes Ziel der Formel E ist, weltweit die Elektromobilität voranzubringen; dazu stehen wichtige Themen wie Nachhaltigkeit und Umweltschutz im Vordergrund.

Während lärmende Boliden mit fossilem Brennstoff ihre Runden auf permanenten Rennstrecken in der urbanen Peripherie drehen, kommen die E-Teams mit 20 Fahrern und 40 Motorcarts direkt in die Herzen der Städte. Nach Hongkong (2016/2017) bemühen sich Tokio und Yokohama um ein Formel-E-Rennen in der vierten Saison 2017/2018.

Weil alle Kraft aus einer Lithium-Ionen-Batterie kommt, ist das clevere Energie-Management der Schlüssel zum Erfolg. Speed bis zum Limit bedeutet Duelle bei Geschwindigkeiten bis zu 220 km/h. Stillstand gibt es keinen – vor allem nicht in der Weiterentwicklung von Leistungshalbleitern für die Inverter der Rennfahrzeuge.

„Das Beste aus der zur Verfügung stehenden Energie herauszuholen ist unsere Maxime“, konstatiert Dr. Kazuhide Ino, General Manager der Power Devices Division bei ROHM Semiconductor in Kyoto, „mit der Technologie-Partnerschaft im Venturi-Team will ROHM zeigen, dass Power Devices auf Basis von Siliziumkarbid serientauglich sind und beispielsweise in der Elektromobilität den Wirkungsgrad elektrischer Systeme deutlich steigern.

Die Herausforderung für Teams und Fahrer liegt zum einen im effizienten Einsatz der zur Verfügung stehenden Energie und zum anderen darin, die Batterieleistung bestmöglich auf die Rennstrecke zu bringen. Hier kommt die neu entwickelte Halbleitertechnologie mit Siliziumkarbid (SiC) des Sponsoring-Debütanten ROHM ins Rennen.

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Im Vergleich zum herkömmlichen Silizium kann das neue Material höhere Lasten und Spannungen verarbeiten und verbraucht dabei deutlich weniger Energie – selbst bei sehr hohen Temperaturen in der Anwendung. Durch den Einsatz von SiC als Kernelement der Partnerschaft erhoffen sich der Luxussportwagen-Hersteller Venturi und der SiC-Halbleiterspezialist ROHM deutliche Wettbewerbsvorteile.

Gemeinsames Ziel ist es, die technologische Weiterentwicklung anzuführen und die Energieeffizienz elektronischer Systeme weiter zu steigern – sowohl auf dem Gebiet des Formel-E-Rennsports als auch bei Anwendungen leistungselektronischen Bauteile für den Einsatz in der Industrie.

Weitere Verbesserungen durch SiC-MOSFETS

Siliziumkarbid ist die chemische Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff – gefertigt in einem aufwendigen Verfahren der Einkristall-Züchtung bei einer Prozesstemperatur von über 2000 °C. Die Vorteile von SiC im Vergleich zum noch gängigen Material Silizium sind vielfach: Leistungselektronische Systeme werden kompakter und verbrauchen weniger Energie.

Die etwa halbierte Gerätegröße und das dadurch eingesparte Gewicht ermöglichen dem Motorsport zusätzlich eine bessere Gewichtsverteilung. SiC-Module können mit höheren Lasten und Spannungen arbeiten und sind durch deutlich reduzierte Schaltverluste charakterisiert.

Der Inverter im Venturi-Monoposto für die dritte Saison enthält SiC-Schottky-Dioden und ist damit zwei Kilogramm leichter als das Einheitsmodell der Vorsaison. Die elektrische Effizienz stieg um 1,7%, zugleich schrumpfte das Volumen des Kühlsystems um 30%.

„Doch das ist erst der Anfang“, versichert Kazuhide Ino, „für die vierte Saison werden durch den Einbau von SiC-MOSFETs weitere große Entwicklungsschritte und entsprechend deutliche Verbesserungen möglich.“

Sponsoring und Technologiepartnerschaft

Für die Automobilindustrie und die Elektromobilität werden SiC-Anwendungen und leistungsstarke Inverter immer wichtiger. Durch das Sponsoring-Debüt macht SiC-Hersteller ROHM global auf seine ehrgeizigen Ziele im Segment der elektrischen Antriebstechnik aufmerksam.

Dieses Engagement ist nach Angaben der Power-Experten aus Kyoto ein großer Schritt und soll auch auf die gesellschaftlichen Aktivitäten im Segment Energie hinweisen.

Kazuhide Ino: „Die Vorteile von SiC, die für viele Industrien relevant sind, werden durch das Projekt mit Venturi klar herausgestellt. Die Formel E demonstriert wie effizient die SiC-Technologie funktioniert und ihren Weg in die Serienproduktion und Alltagsanwendungen finden wird.“

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