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Eingebettetes Silizium-Carbid auf dem Weg zur Serienproduktion in der Elektromobilität. (Foto: Fraunhofer)

Fraunhofer setzt das E-Auto auf die Überholspur

Silizium-Carbid-Halbleiter sollen Leitungselektronik deutlich verbessern

DBU/Berlin – Die Batterietechnologie von Elektroautos ist das brisanteste Thema bei der Umsetzung der umweltfreundlichen Technologie und trotz aller Fortschritte der letzten Jahre erreichen die Akkus noch längst nicht die geforderte Reichweite von kraftstoffbetriebenen Fahrzeugen. Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM forscht Lars Böttcher und sein Team deshalb im Projekt SiC-Modul, damit das Herz der Elektromobilität - die Leistungselektronik - leistungsfähiger und serientauglich werden.

Das Akkus und Elektronik im Zusammenspiel aktuell der Bremsklotz in der Elektromobilität sind, ist umso bedauerlicher, als dass der Wirkungsgrad eines Elektromotors und seiner Batterie per se den von Kraftstoffmotoren weit hinter sich lässt. Während der Wirkungsgrad von Benzinmotoren bei rund 15 Prozent liegt und Dieselmotoren es auf 25 Prozent bringen, sind es beim Elektromotor 95 bis 97 Prozent.

Skeptiker der Elektromobilität werfen kritische Fragen auf, zum Beispiel wie schnell ein E-Auto fahren und welche Strecken man damit maximal zurücklegen kann. Das hängt von der eingebauten Leistungselektronik ab – elektronisch gesehen das Herz der Elektromobilität. Beim Einbau der Leistungselektronik sind drei Faktoren entscheidend: Platz, Gewicht und Wirkungsgrad. Das Halbleitermaterial Silizium-Carbid (SiC) erfüllt diese Bedingungen, denn es hat einen höheren Wirkungsgrad und kann kompakter verbaut werden als gängige Halbleiter aus bloßem Silizium.

Zwar fahren bereits vereinzelt E-Autos mit SiC Halbleitern, doch besteht hier noch erhebliches Potential, die Effizienz des SiC Halbleitermaterials voll auszuschöpfen. Der Schlüssel für den Erfolg von SiC liegt im Packaging der Halbleiter. Um das Material auch für die großindustrielle Fertigung zu verwenden, werden in dem Projekt SiC-Modul-Rahmenbedingungen aus der Industrie von Anfang an mitgedacht. Zum Beispiel beruht das Modul auf einem klassischen Leiterplattenaufbau, wie er in der Industrie bereits etabliert und leicht umsetzbar ist. Gleichzeitig werden in dem Modul die neuesten Erkenntnisse aus der Forschung verbaut: Der Halbleiter wird nicht mit einer Drahtbondverbindung kontaktiert, sondern direkt über einen galvanisch hergestellten Kupferkontakt in die Schaltung eingebettet, so dass die Kabellänge verkürzt und die Leistungsführung optimiert werden kann. Die Spezifikationen, die das Produkt erfüllen muss, haben die Forschenden in enger Zusammenarbeit mit Anwendern wie Automobilherstellern, Baugruppenzulieferern und Baugruppenfertigern aufgestellt und abgestimmt.

Lars Böttcher ist Gruppenleiter am Fraunhofer IZM und Teilprojektleiter für das SiC-Projekt. Er erklärt: „Wir gehen über die generelle Machbarkeit hinaus“, denn in dem Projekt soll mehr als nur ein Prototyp entwickelt werden. Das Ziel ist daher, sowohl das neue Halbleitermaterial Silizium-Carbid, als auch die Einbett-Technik auf den Weg zur Serienproduktion zu bringen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit einem Projektvolumen von 3,89 Millionen Euro gefördert und läuft noch bis Dezember 2020. Neben dem IZM sind sieben weitere Partner an dem Projekt beteiligt.

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Erschienen in Ausgabe: Seite 18| November 2019

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