Warum Siliziumkarbid die Leistung von Elektrofahrzeugen auf die nächste Stufe heben wird

Jun 08, 2023

Der Porsche Taycan war nach dem Tesla Model 3 eines der ersten Elektrofahrzeuge, das einen Wechselrichter auf Siliziumkarbidbasis und ein 800-Volt-Bordnetz nutzte.

Siliziumkarbid, ein uraltes Material, das 1891 zufällig von einem Erfinder entdeckt wurde, der synthetische Diamanten herstellen wollte, wird für Elektrofahrzeuge immer wichtiger. Die weltweit größten Zulieferer investieren Milliarden, um sicherzustellen, dass sie die erwartete Welle von Bestellungen von Autoherstellern für Wechselrichter für Elektrofahrzeuge erfüllen können .

Chips aus Siliziumkarbid oder SiC – einem der härtesten Materialien der Welt nach Diamanten – sind das Herzstück einer neuen Generation von Wechselrichtern, die entscheidende Verbindung zwischen dem Gleichstrom von Batterien und dem Wechselstrom von Elektromotoren.

Siliziumkarbid-Chips für Wechselrichter bieten gegenüber solchen auf Siliziumbasis eine Reihe von Vorteilen.

„Mit Siliziumkarbid im Vergleich zu Silizium können Sie Ihre Effizienz um einen erheblichen Faktor steigern“, sagte Frederic Lissalde, CEO von BorgWarner, gegenüber Automotive News Europe. BorgWarner hat 500 Millionen US-Dollar in das US-Unternehmen Wolfspeed investiert. Der Deal ermöglicht es dem Zulieferer, jährlich Siliziumkarbid-Chips im Wert von bis zu 650 Millionen US-Dollar zu kaufen.

„Aufgrund aller Vorteile der Technologie wird die Marktnachfrage nach Siliziumkarbid-basierten Geräten in den kommenden Jahren rasant zunehmen“, sagte Claudio Vittori von S&P Global Mobility in einem Interview. Dies sei „aus Sicht des Angebots und der Nachfrage besorgniserregend“, fügte er hinzu.

Den Zahlen von S&P zufolge werden bis 2034 Siliziumkarbid-basierte Wechselrichter dominieren, wobei das Volumen jährlich um 32 Prozent wachsen wird. Vittori sagte, dass sie zunächst bei Premium- und Luxusautos mit 800-Volt-Bordnetzen zum Einsatz kommen und dann auf Mainstream-Modelle mit Niederspannungssystemen übergreifen werden.

Neben Wechselrichtern würden SiC-Chips auch in Bordladegeräten und DC-DC-Wandlern zum Einsatz kommen, fügte er hinzu.

Eine Darstellung einer geplanten ZF-Wolfspeed-Siliziumkarbid-Chipfabrik, die im Saarland gebaut werden soll.

ZF geht sogar noch weiter als BorgWarner und wird Partner von Wolfspeed in einer „Wafer-Fabrik“ im Wert von 3 Milliarden US-Dollar, die 200-mm-Siliziumkarbid-Wafer herstellen und über ein Forschungs- und Entwicklungszentrum im deutschen Saarland verfügen wird.

„Siliziumkarbid ist die Antwort auf einige der größten Probleme unserer Zeit: Energieeinsparungen und Klimawandel“, sagte Gregg Lowe, der CEO von Wolfspeed, im April bei der Fabrikankündigung mit ZF und deutschen Beamten. „Mit Halbleitern aus Siliziumkarbid können Elektroautos weiter fahren und schneller aufgeladen werden, was dazu beiträgt, den Übergang von Benzinautos zu vollelektrischen Fahrzeugen zu beschleunigen.“

Lowe sagte der Financial Times im Dezember, dass der Markt für SiC-Leistungshalbleiter bis 2030 um 14 Prozent pro Jahr wachsen könnte. „Wir alle werden so schnell wie möglich rennen und versuchen, mit der Nachfrage Schritt zu halten“, sagte er.

Außerdem hat ZF mit STMicroelectronics einen Vertrag über Siliziumkarbid-Chips für seine Wechselrichter ab 2025 unterzeichnet – mit einem Auftragsvolumen im „zweistelligen Millionenbereich“, teilten die Unternehmen im April mit.

„Mit Hilfe von Siliziumkarbid können wir das System um 5 Prozent optimieren, und das ist schon etwas für die Elektromobilität“, sagte Otmar Scharrer, Leiter Entwicklung elektrifizierter Antriebsstrang bei ZF, gegenüber Automotive News Europe.

Infineon und Stellantis haben im vergangenen September ein Memorandum of Understanding unterzeichnet, in dem der deutsche Chiphersteller die SiC-Produktion in der zweiten Hälfte des Jahrzehnts den eigenen Zulieferern des Automobilherstellers vorbehalten wird. Der Deal hat einen Wert von mehr als einer Milliarde Euro.

Unter den bedeutenden jüngsten Deals kaufte Robert Bosch im April TSI, einen in Kalifornien ansässigen Hersteller von Siliziumkarbid-Chips, und kündigte an, bis 2026 1,5 Milliarden US-Dollar in die Modernisierung der TSI-Fabrik zu investieren, um SiC-Chips für Elektrofahrzeuge zu produzieren.

Vitesco gab am 19. Juni bekannt, dass es mit Rohm bis 2030 eine Lieferpartnerschaft für Siliziumkarbid-Chips für seine Wechselrichter im Wert von über 1 Milliarde US-Dollar unterzeichnet habe. Die Serienproduktion soll 2024 für „zwei bedeutende Kunden“ beginnen.

Der Volkswagen-Konzern unterzeichnete im Januar eine strategische Vereinbarung mit dem US-amerikanischen Technologieunternehmen Onsemi zur Lieferung von Siliziumkarbidmodulen und Halbleitern für Wechselrichter für die EV-Plattformen der nächsten Generation von VW.

Onsemi erzielte Ende Mai ebenfalls einen großen Erfolg mit einem 10-Jahres-Vertrag über 1,9 Milliarden US-Dollar mit Vitesco zur Lieferung von Produkten auf Siliziumkarbidbasis; Im Rahmen der Vereinbarung wird Vitesco 250 Millionen US-Dollar investieren, um die SiC-Produktionskapazitäten von Onsemi zu stärken.

Siliziumkarbid-Wafer im Bosch-Halbleiterwerk in Reutlingen, Deutschland. Der Zulieferer gab 1,5 Milliarden US-Dollar aus, um TSI, einen US-amerikanischen Siliziumkarbid-Spezialisten, zu übernehmen.

Siliziumkarbid wird typischerweise nach dem sogenannten Acheson-Verfahren hergestellt, benannt nach dem amerikanischen Erfinder, der das Material 1891 zufällig entdeckte (und es später als Carborundum patentierte), als er versuchte, einen synthetischen Diamanten herzustellen.

Quarzsand und Kohlenstoff werden bis zu vier Wochen lang auf Temperaturen von bis zu 2.500 Grad Celsius erhitzt – etwa halb so heiß wie die Sonnenoberfläche und ein äußerst energieintensiver Prozess – wodurch eine „Kugel“ von mehreren Kilogramm entsteht.

Die Kugel wird dann zu Wafern verarbeitet, die in Halbleitern verwendet werden können. Allerdings sind Siliziumkarbid-Wafer anfällig für Defekte, die sie unbrauchbar machen können, sagen Experten.

„Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid stehen am Anfang eines großen Nachfrageschubs“, sagte Vitesco-CEO Andreas Wolf in einer Erklärung. „Für uns ist es wichtig, Zugang zur gesamten SiC-Wertschöpfungskette zu erhalten. Mit dieser Investition sichern wir uns die Versorgung mit einer Schlüsseltechnologie für die nächsten 10 Jahre und darüber hinaus.“

Laut einem Bericht der Yole Group wird der Automobilmarkt für Siliziumkarbid-Halbleiter bis 2027 voraussichtlich einen Wert von mehr als 4 Milliarden US-Dollar pro Jahr haben. S&P schätzt, dass der Anteil von Siliziumkarbid am Markt im Vergleich zu Silizium von 20 Prozent im Jahr 2021 auf über 50 Prozent im Jahr 2030 wachsen wird.

Siliziumkarbid ist also eindeutig die Zukunft, nicht nur für Wechselrichter, sondern auch für Anwendungen wie die Energieübertragung von Fahrzeugen ins Netz. Das Material weist jedoch einige Nachteile auf.

Da es – obwohl es in Meteoriten gefunden wurde – synthetisch aus Silizium und Kohlenstoff hergestellt werden muss, sind dafür extreme Temperaturen von bis zu 2.500 Grad Celsius und Drücke und damit ein enormer Energieaufwand erforderlich. Und die resultierenden Wafer können fehlerhaft sein.

Das Tesla Model 3 (abgebildet) war 2018 das erste Serienfahrzeug, das einen Siliziumkarbid-Wechselrichter verwendete.

Wie bei vielen Innovationen im Bereich Elektrofahrzeuge war Tesla ein Pionier bei der Verwendung von Siliziumkarbid-Chips in seinen Fahrzeugen, beginnend im Jahr 2018 im Modell 3.

Die neuesten Elektrofahrzeuge von Hyundai und Kia auf ihrer E-GMP-Plattform, darunter der Kia EV6 und der Hyundai Ionic 5 und 6, verwenden ebenfalls SiC-Wechselrichter, ebenso wie der Porsche Taycan und der Audi E-tron GT sowie der Luxus-Elektrofahrzeug Air von Lucid.

Auch der Elektro-SUV Lotus Eletre der Marke Geely verfügt über einen SiC-Wechselrichter, ebenso wie der Maserati GranTurismo Folgore und der kommende MC20 Folgore.

Mit Ausnahme von Tesla verfügen alle diese Autos auch über 800-Volt-Systeme.

Andere Automobilhersteller haben kürzlich Vereinbarungen mit führenden SiC-Chiplieferanten bekannt gegeben.

Die Kosten für Siliziumkarbid-Chips – bis zu fünfmal so hoch wie die von Silizium – sowie die Schwierigkeit, eine ausreichende und qualitativ hochwertige Versorgung mit Wafern zu gewährleisten, veranlassen einige Unternehmen, die Verwendung des Materials zu überdenken.

In einer der provokanteren Aussagen sagte Colin Campbell, Teslas Leiter für Antriebstechnik, im März, dass der Autohersteller im Rahmen einer Gesamtkostensenkung den Einsatz von SiC in seiner nächsten Antriebsplattform um 75 Prozent reduzieren werde – ohne zu erklären, wie von 1.000 $ pro Einheit.

„Siliziumkarbid ist ein erstaunlicher Halbleiter, aber auch teuer und schwer zu skalieren“, sagte Campbell. „Deshalb ist es ein großer Gewinn für uns, weniger davon zu verbrauchen.“

Der Maserati GranTurismo Folgore EV verfügt über einen Siliziumkarbid-Wechselrichter, ebenso wie der kommende Elektro-Supersportwagen MC20 Folgore.

Die Aktienkurse großer Siliziumkarbid-Unternehmen fielen nach Campbells Ankündigung (erholten sich aber später wieder). Andere denken jedoch auch über Möglichkeiten nach, den Verbrauch zu reduzieren, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Soitec, ein französisches Halbleiterunternehmen, dessen technische Substrate bei RF-Chips (Radiofrequenz) für Smartphones nahezu allgegenwärtig sind, entwickelt eine Methode namens SmartSIC, mit der aus einem einzigen Siliziumkarbid-Wafer 10 bis 15 Mal mehr Chipmaterial gewonnen werden kann.

Der SmartCut-Prozess von Soitec – man kann ihn sich wie ein Atommesser vorstellen – extrahiert eine feine Schicht aus monokristallinem Siliziumkarbid aus einem sogenannten Donor-Wafer, der dann mit einem polykristallinen Wafer aus Siliziumkarbid mit extrem niedrigem Widerstand verbunden wird. Der Spenderwafer kann dann zehnmal wiederverwendet werden, sagte Emmanuel Sabonnadiere, Vizepräsident für Automobil und Industrie bei Soitec.

Der SmartSIC-Prozess könne pro 100.000 Wafer 4.000 Tonnen CO2 einsparen, sagte Sabonnadiere. „Es ist ein umweltfreundliches System der Waferproduktion“, sagte er.

Die technischen Eigenschaften des Substrats machen es effizienter, sagte er, was letztendlich zu effizienteren Chips und Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge führt.

„Autohersteller können die Größe ihrer Wechselrichter reduzieren und den Bedarf an Wärmemanagement verringern“, sagte er.

Soitec arbeitet mit STMicroelectronics zusammen, um das System zu qualifizieren, und spricht mit Automobilherstellern und Tier-1-Zulieferern über den kommerziellen Einsatz. Sabonnadiere sagte, er gehe davon aus, dass der Qualifikationsprozess bis Ende 2024 abgeschlossen sein werde.

„Das Interesse der Automobilhersteller ist groß, auch wenn wir in der Lieferkette weit voneinander entfernt sind“, sagte er.

Ein Unternehmen, das mit Soitec im Gespräch ist, ist der Volkswagen-Konzern, der eine vertikale Integration seiner Wertschöpfungskette für Elektrofahrzeuge anstrebt, einschließlich der Herstellung eigener Batteriezellen mit seiner PowerCo-Einheit und der Entwicklung eigener Wechselrichter für den Einsatz in zukünftigen Elektrofahrzeugen auf der PPE-Architektur.

Siliziumkarbid-Chips werden für die Leistung und die Kosten dieser Wechselrichter von entscheidender Bedeutung sein, sagte Berthold Hellenthal, strategischer Halbleitermanager bei Audi, der auch an der gesamten Halbleiterdesignstrategie des VW-Konzerns beteiligt ist.

„Wir haben beschlossen, dass alles im [EV]-Antriebsstrang in unseren Händen liegt“, sagte er. „Und für eine gute symbiotische Systemleistung ist der Wechselrichter von entscheidender Bedeutung. Es verbindet die Batterie mit dem E-Antrieb – und hier geschieht die Magie.“

Siliziumkarbid-Chips seien zwar teurer als Silizium-Chips, könnten aber anderswo zu Einsparungen führen, sagte Hellenthal. „Siliziumkarbid kann Fahrzeuge erschwinglicher machen, weil man entweder bei gleicher Batteriegröße eine größere Reichweite erzielen kann oder man weniger Batteriezellen verwenden kann“, sagte er. „Auch bei der Kühlung kann man sparen – es ist eine Frage, wie man es spielen möchte.“

Dirk Walliser, Leiter Forschung und Entwicklung bei ZF, sagt, dass die Preise mit der Größenordnung sinken werden und je mehr Unternehmen Fachwissen über das Material entwickeln.

„Jetzt, wo wir wissen, wie man mit SiC arbeitet, ist der Vorteil, dass Silizium ein Massenprodukt ist, nicht mehr vorhanden“, sagte er gegenüber Automotive News Europe. „Da so viele neue Elektrofahrzeuge auf den Markt kommen, ist das Volumen der Siliziumkarbidproduktion gestiegen, sodass sich die Investitionen amortisieren.“

Douglas A. Bolduc hat dazu beigetragen

Bitte geben Sie eine gültige E-Mail-Adresse ein.

Geben Sie bitte Ihre Email-Adresse ein.

Bitte überprüfen Sie das Captcha.

Bitte wählen Sie mindestens einen Newsletter aus, den Sie abonnieren möchten.

Sie können sich jederzeit über die Links in diesen E-Mails abmelden. Weitere Informationen finden Sie in unserer Datenschutzerklärung.