Siliziumkarbid-Halbleiter gelten als eine Schlüsseltechnik für leistungsfähige und zugleich effiziente Elektroautos. Dabei handelt es sich nicht um besonders schnelle Rechenchips. Ihre Aufgabe ist vielmehr das möglichst verlustarme Schalten großer elektrischer Leistungen. Besonders wichtig sind sie im Inverter, der den Gleichstrom aus der Batterie in den vom Elektromotor benötigten Wechselstrom umwandelt. Die unscheinbaren Bauteile entscheiden mit darüber, wie viel Energie tatsächlich an den Rädern ankommt und wie viel davon als Wärme verloren geht.
Siliziumkarbid, kurz SiC, ist eine Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff. Das Material kommt zwar auch in Schleifmitteln oder Hochleistungskeramik zum Einsatz, lässt sich aber ähnlich wie reines Silizium zu Halbleiterbauelementen verarbeiten. Sein entscheidender Vorteil ist die sogenannte breite Bandlücke. Sie beschreibt vereinfacht, wie viel Energie nötig ist, um Elektronen im Material beweglich und damit einen Stromfluss möglich zu machen. Bei Silizium beträgt sie rund 1,1 Elektronenvolt, bei SiC etwa 3,3 Elektronenvolt.
Dadurch kann Siliziumkarbid wesentlich höheren elektrischen Feldstärken und Temperaturen widerstehen. Entsprechende Bauteile lassen sich dünner aufbauen und vertragen hohe Spannungen, ohne elektrisch durchzuschlagen. Gleichzeitig leitet SiC Wärme besser ab als Silizium. Diese Eigenschaften machen das Material für die Leistungselektronik eines Elektroautos interessant, in der Spannungen von mehreren hundert Volt und Ströme von mehreren hundert Ampere beherrscht werden müssen.
Im Inverter kommen SiC-Halbleiter meist als sogenannte MOSFETs zum Einsatz. Vereinfacht gesagt handelt es sich um elektronische Schalter ohne bewegliche Teile. Über eine Steuerspannung am Anschluss "Gate" wird ein leitfähiger Kanal geöffnet oder geschlossen. Mehrere dieser Transistoren schalten den Gleichstrom der Batterie viele tausend Mal pro Sekunde ein und aus. Aus den fein abgestimmten Stromimpulsen entsteht ein dreiphasiger Wechselstrom, dessen Frequenz und Stärke Drehzahl und Drehmoment des Elektromotors bestimmen.
Beim Verzögern läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung. Der Motor wird zum Generator, der Inverter wandelt den erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom um und leitet ihn zurück in die Batterie. Die SiC-Bauteile müssen den Energiefluss also in kürzester Zeit präzise steuern. Weil sie schneller schalten und dabei geringere Schalt- und Leitungsverluste verursachen als klassische Silizium-Halbleiter, entsteht weniger Abwärme. Das entlastet die Kühlung und erlaubt kleinere, leichtere sowie leistungsstärkere Inverter.
Der Effizienzgewinn bei einem einzelnen Schaltvorgang ist gering. Da im Fahrbetrieb jedoch permanent geschaltet wird und zeitweise mehrere hundert Kilowatt übertragen werden, summiert er sich. Je nach Fahrzeug- und Antriebsauslegung kann SiC den Verbrauch senken und die Reichweite um einige Prozent erhöhen. Alternativ lässt sich bei gleicher Reichweite eine kleinere Batterie verwenden. Besonders deutlich fallen die Vorteile in 800-Volt-Antriebsarchitekturen aus. SiC ist allerdings keine Voraussetzung für diese Spannungsebene und sorgt allein auch nicht für schnelleres Laden. Die Technik hilft aber, hohe Spannungen und Leistungen effizienter zu beherrschen. Deshalb findet sie neben dem Inverter auch in Gleichspannungswandlern und Onboard-Ladegeräten Verwendung.
Technik verstehen - Vom Elektroantrieb zum Scheinwerfer
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Neu ist Siliziumkarbid nicht. Der US-amerikanische Erfinder Edward Acheson stellte das Material bereits Ende des 19. Jahrhunderts industriell her und vermarktete es unter dem Namen Carborundum zunächst als Schleifmittel. Seine elektronischen Eigenschaften wurden Anfang des 20. Jahrhunderts untersucht. Bis daraus leistungsfähige Halbleiter entstanden, dauerte es jedoch Jahrzehnte. Die Herstellung geeigneter, möglichst fehlerfreier Kristalle und Wafer war technisch anspruchsvoll. Erste kommerzielle SiC-Schottky-Dioden kamen 2001 auf den Markt, leistungsfähige MOSFETs folgten rund zehn Jahre später. Mit dem Aufschwung der Elektromobilität begann schließlich ihr Einsatz in größeren Stückzahlen. So fertigt Bosch seit Ende 2021 SiC-Leistungshalbleiter im Werk Reutlingen in Großserie. Eine weitere SiC-Fabrik plant der Automobilzulieferer im kalifornischen Roseville.
Noch sind SiC-Chips deutlich teurer als etablierte Leistungshalbleiter aus Silizium. Auch die Herstellung der Kristalle, Wafer und Chipstrukturen bleibt aufwendig. Deshalb dürfte Silizium nicht vollständig verschwinden. Bei preisgünstigen Fahrzeugen oder weniger stark belasteten Komponenten kann die klassische Technik wirtschaftlicher bleiben. Denkbar sind zudem Mischlösungen, bei denen beide Materialien innerhalb eines Antriebssystems eingesetzt werden.
Bedeutung von Siliziumkarbid wird wachsen
Mit steigenden Fahrzeugspannungen, höheren Ladeleistungen und kompakteren E-Antrieben wird die Bedeutung von Siliziumkarbid dennoch wachsen. Das Material setzt keine spektakulär neue Funktion in Gang. Es erledigt eine bekannte Aufgabe lediglich schneller, verlustärmer und bei höheren Temperaturen. Gerade darin liegt seine große Wirkung: SiC kann helfen, mehr von der im Akku gespeicherten Energie tatsächlich für den Vortrieb zu nutzen.
Wie sich diese Eigenschaften im Serienauto bemerkbar machen, zeigt der elektrische Mercedes CLA. Beim 250+ arbeitet ein Siliziumkarbid-Inverter in der 200 kW / 272 PS starken Antriebseinheit an der Hinterachse. Zusammen mit einem effizienten Elektromotor, einem Zweiganggetriebe, guter Aerodynamik und dem 800-Volt-Bordnetz trägt er dazu bei, die Umwandlungsverluste niedrig zu halten. Mercedes nennt für das Modell einen Normverbrauch von lediglich 12,2 bis 14,1 kWh pro 100 Kilometer und eine Reichweite von bis zu 792 Kilometern. Welchen Anteil die SiC-Technik allein daran hat, lässt sich allerdings nicht beziffern. Sie ist allerdings ein wichtiger Baustein, wenn ein Antriebssystem konsequent auf Effizienz ausgelegt sein soll.
