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Die Elektromobilität hat noch eine ganze Reihe von Herausforderungen zu bewältigen. Globale Umweltaspekte wie Batterieproduktion, wiederverwertbares Material und Stromerzeugung sind mit individuellen und praktischen Aspekten wie Kosten, Batteriekapazität und Ladeinfrastruktur verflochten. Modernste Halbleitertechnologie kann dabei zur Lösung einiger der Herausforderungen beitragen.

Siliziumkarbid ist bereits seit langer Zeit als Halbleitermaterial im Einsatz. Es wurde erstmals 1906 als Funkdetektordiode patentiert und in der Marine-Empfangstechnik eingesetzt. Ebenso basierten die ersten kommerziellen LEDs auf SiC, und das Material wurde sehr bekannt für die Herstellung von gelben und blauen LEDs. Aufgrund von Schwierigkeiten bei der Fertigung erfolgte der Einsatz in der Leistungselektronik erst im Laufe der letzten zwanzig Jahre.

Die Eliminierung von Kristalldefekten hat sich als ein großes Hindernis bei der SiC-Entwicklung erwiesen. Kantenversetzungen, Schraubenversetzungen, Dreiecksdefekte und Basalebenenversetzungen verursachten zunächst ein schlechtes Sperrverhalten in Bauelementen aus SiC-Kristallen. Neben der Kristallqualität erschwerten Probleme mit der Grenzfläche von SiC zu Siliziumdioxid die Entwicklung von SiC-basierten Leistungs-MOSFETs und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate. Erst durch die noch recht unerforschte Nitridisierung konnten die Defekte, die die Grenzflächenprobleme verursachen, drastisch reduziert werden, und der Weg für JFETs, MOSFETs und Schottky-Dioden war ab 2008 frei. SiC bietet als Halbleitermaterial große Vorteile in Bezug auf Geschwindigkeit, Hochtemperatur und Hochspannung.

Und genau das wird im rauen Automotive-Umfeld benötigt. In Elektroautos kommen Batterien mit Kapazitäten von bis zu 100 kWh zum Einsatz, und diese sollen in möglichst kurzer Zeit aufgeladen werden. Das Aufladen eines Elektrofahrzeugs an öffentlichen Ladestationen dauert länger als das Betanken eines Fahrzeugs mit fossilen Brennstoffen. Die Geschwindigkeit, mit der ein Fahrzeug aufgeladen werden kann, hängt von der Ladegeschwindigkeit der Ladestation und der eigenen Ladekapazität des Fahrzeugs ab. Wenn Sie ein Fahrzeug mit sehr schneller Ladefähigkeit an eine Ladestation mit sehr hoher Ladegeschwindigkeit anschließen, kann die Batterie des Fahrzeugs in 15 Minuten zu 80 % aufgeladen werden. Fahrzeuge und Ladestationen mit langsameren Ladegeschwindigkeiten können bis zu einer Stunde brauchen, um eine Batterie auf 80 % aufzuladen. Wie bei einem Mobiltelefon dauern die letzten 20 % länger, weil die Systeme langsamer werden, um die Batterie sicher zu füllen und sie nicht zu beschädigen.

Wechselstrom-Ladestationen (AC) verbinden die bordeigene Ladeschaltung des Fahrzeugs direkt mit der AC-Versorgung. AC Level 1 wird direkt an eine 120-V-Haushaltssteckdose angeschlossen und kann je nach Kapazität des Stromkreises 12–16 A (1,4-1,92 kW) liefern. AC Level 2 nutzt 240 V Haushaltsstrom oder 208 V Gewerbenetz und liefert zwischen 6 und 80 A (1,4-19,2 kW).

Beim Gleichstrom-Schnellladen (DC) wird der Netzstrom durch einen AC/DC-Wechselrichter geleitet, bevor er zur Fahrzeugbatterie gelangt, und umgeht dadurch die bordeigene Ladeschaltung. DC Level 1 liefert maximal 80 kW bei 50–1000 V, DC Level 2 liefert maximal 400 kW bei 50–1000 V. Ein Standard für größere Nutzfahrzeuge ist in der Entwicklung und soll eine theoretische Maximalleistung von 4,5 MW liefern.

Dioden, MOSFETs und Treiber sind die Hauptkomponenten solcher Hochleistungsladeschaltungen. Durch ihre erhöhte Schaltgeschwindigkeit und geringere Verlustleistung bietet das Wide Bandgap SiC-Bauelemente-Portfolio von onsemi die richtigen Komponenten für alle Teilbereiche moderner Lösungen.

Durch den Einsatz von galvanisch isolierten Hochstrom-Gate-Treibern reduziert sich die Notwendigkeit von Schutzschaltungen. Der NCx57200 ist ein Hochspannungs-Gate-Treiber mit einem nicht isolierten Low-Side-Gate-Treiber und einem galvanisch isolierten High- oder Low-Side-Gate-Treiber. Die Bauelemente können zwei IGBTs in einer Halbbrücken-Konfiguration direkt ansteuern. Die galvanische Trennung für den High-Side-Gate-Treiber sorgt für zuverlässiges Schaltverhalten in Hochleistungsapplikationen für IGBTs, die mit hohen dv/dt und bis zu 800 V arbeiten. Durch die optimierten Ausgangsstufen können die IGBT-Verluste reduziert werden. Zu den Leistungsmerkmalen zählen außerdem zwei unabhängige Eingänge mit Totzeit und Sperre, präzise asymmetrische UVLOs sowie kurze und angepasste Laufzeitverzögerung.

Mit einem Bandbreitenbereich von 270kHz bis 3MHz  ermöglichen Operationsverstärker mit typischen I_q von 17µA bis 405µA sichere Messschaltungen in den Ladenetzwerken.

Eine Absicherung der Stromkreise ist dennoch notwendig. Der AEC−Q100-qualifizierte NCID9211 Zweikanal-Digitalisolator erreicht eine hohe Isolierung und eine hohe Störfestigkeit, die durch hohe Gleichtaktunterdrückungs- (mindestens 100 kV/s) und Versorgungsspannungsunterdrückungs-Spezifikationen gekennzeichnet ist. Den Rest erledigen Sicherungen und Filter, wie die diskrete Schutz- und Kleinsignal-Bauelemente von onsemi eindrucksvoll unter Beweis stellen.

onsemi hat zusätzliche Maßnahmen ergriffen, um einige der zuvor genannten Herausforderungen im Zusammenhang mit SiC zu lösen, wie z. B. Kristalldefekte oder Gate-Oxid-Zuverlässigkeit. Durch zusätzliche Qualitätskontrollschritte im Fertigungsprozess wie Wafer-Screening oder Burn-in-Tests können die intrinsischen Kristalldefekte in SiC besser herausgefiltert werden. Darüber hinaus ermöglicht das verstärkte Gate-Oxid in den SiC-MOSFETs eine dynamische negative Gate-Vorspannung ohne eine Drift in R_DS(ON) oder V_th. Das Ergebnis sind zuverlässige SiC-Bauelemente, die auch in den anspruchsvollsten Anwendungen wie dem Laden von Elektrofahrzeugen eingesetzt werden können.