Infineon-SiC-Leistungshalbleiter im Toyota-Elektrofahrzeug eingesetzt

Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid werden in Energieumrichtersystemen von Elektrofahrzeugen eingesetzt, um Wirkungsgrad und thermische Leistungsfähigkeit zu verbessern. In diesem Zusammenhang liefert Infineon Technologies CoolSiC™-MOSFETs für den Einsatz im On-Board-Ladegerät und im DC/DC-Wandler des neuen batterieelektrischen Modells bZ4X von Toyota Motor Corporation.

SiC-Bauelemente in zentralen Leistungsstufen
Die Bauelemente kommen in zwei wesentlichen Teilsystemen der Fahrzeug-Leistungselektronik zum Einsatz: im On-Board-Ladegerät (OBC), das Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom zum Laden der Batterie umwandelt, sowie im DC/DC-Wandler, der die Hochvolt-Batteriespannung auf niedrigere Bordnetzspannungen für Fahrzeugverbraucher reduziert. Beide Stufen haben direkten Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad sowie auf Reichweite und Ladeverhalten von Elektrofahrzeugen.

SiC-MOSFETs werden in diesen Anwendungen gewählt, weil das Material im Vergleich zu Silizium höhere Durchbruchspannungen, geringere Schaltverluste und eine bessere Wärmeleitfähigkeit ermöglicht. Diese Eigenschaften erlauben höhere Schaltfrequenzen bei geringeren Verlusten, was kleinere passive Bauteile und einen verbesserten Systemwirkungsgrad in der automobilen Leistungselektronik begünstigt.

Bauelementstruktur zur Verlustreduzierung
Die CoolSiC™-MOSFETs von Infineon nutzen eine Trench-Gate-Struktur, die den spezifischen Einschaltwiderstand reduziert. Ein geringerer Einschaltwiderstand senkt die Leitverluste während des Stromflusses, während die Schaltverluste durch Bauelementkapazitäten und Schaltgeschwindigkeit bestimmt werden. Diese Parameter beeinflussen maßgeblich die Wärmeentwicklung und damit die Anforderungen an das Thermomanagement in kompakten Automotive-Leistungsmodulen.

Optimierte parasitäre Kapazitäten sowie eine definierte Gate-Schwellspannung ermöglichen einen unipolaren Gate-Ansteueransatz. Dadurch vereinfacht sich das Design der Treiberschaltungen im Vergleich zu komplexeren Ansteuerverfahren, was die Anzahl unterstützender Komponenten verringern kann. Für Entwickler wirkt sich dies auf Leiterplattenfläche, Systemkomplexität und elektromagnetisches Verhalten bei hohen Schaltfrequenzen aus.

Auswirkungen auf Wirkungsgrad und Leistungsdichte
Reduzierte Leit- und Schaltverluste tragen zu einem höheren Wirkungsgrad sowohl im OBC als auch im DC/DC-Wandler bei. Ein höherer Wirkungsgrad verringert die Wärmeverluste, wodurch kleinere Kühlkörper möglich werden oder eine höhere Leistungsdichte innerhalb derselben thermischen Grenzen erreicht werden kann. In Elektrofahrzeugen beeinflussen solche Effizienzgewinne den Gesamtenergieverbrauch und damit die Reichweite pro Batterieladung.

Die hohe thermische Robustheit von SiC-Bauelementen unterstützt zudem den Betrieb bei höheren Sperrschichttemperaturen als bei herkömmlichen Silizium-MOSFETs. Das kann das Thermomanagement in dicht integrierten Fahrzeug-Leistungselektroniksystemen vereinfachen, in denen Bauraum und Luftführung begrenzt sind.

Einordnung in die Elektrifizierung der automobilen Elektronik
Der Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern steht im Zusammenhang mit dem breiteren Wandel innerhalb der automobilen Elektronik und der zugehörigen Lieferkette hin zu Wide-Bandgap-Materialien. Mit steigenden Bordnetzspannungen und höheren Ladeleistungen werden Schalteffizienz und thermische Belastbarkeit von Halbleitern zu zentralen Auslegungskriterien.

Durch den Einsatz von CoolSiC™-MOSFETs in einem Serienfahrzeug erweitert Infineon Technologies die Nutzung von SiC-Bauelementen über spezialisierte Hochleistungsanwendungen hinaus auf volumenstarke Elektrofahrzeugplattformen wie den Toyota bZ4X.

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