Leistungselektronik findet neue Aufgaben im Automobil

Solides Marktwachstum für die Hersteller von Komponenten der Leistungselektronik prognostizieren die Marktforscher von Yole Développement für die Jahre bis 2020. Dabei sorgen neue Materialien wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid für neue Einsatzmöglichkeiten, z. B. im Automobil zur drahtlosen Leistungsübertragung.

Für die Hersteller von Halbleiterbausteinen und Modulen für die Leistungselektronik ist der Zukunftspfad klar vorgezeichnet: Nach einer konjunkturell bedingten Wachstumspause in den beiden letzten Jahren soll es wieder stetig aufwärtsgehen. Nach den neuesten Prognosen des europäischen Marktforschungsunternehmens Yole Développement – vorgestellt auf der Fachmesse PCIM Ende Mai in Nürnberg – erwarten die Leistungselektroniker bis 2020 mit jährlichen Zuwachsraten von knapp 7 % einen Gesamtmarkt von 17 Mrd. $.

Angeführt wird dieses gesunde Wachstum von den klassischen IGBT-Leistungsmodulen (Insulated-Gate Bipolar Transistor) auf klassischer Siliziumbasis. Sie sind die Arbeitspferde in industriellen Systemen und in der Bahntechnik mit Jahreszuwächsen von 10,3 %. Diskrete Leistungsbauelemente dürften dagegen nur etwa 5 % jährlich zulegen. Was die IGBT-Module attraktiv macht, sind Technologiefortschritte in Richtung höherer Effizienz und höherer Betriebstemperaturen. Das ist dem immer besseren thermischen Management zu verdanken, mit dem es gelingt, die Abwärme der hochfrequenten Schaltvorgänge aus den Modulen sicher abzuführen.

Effizienz und Leistungsdichte zählen naturgemäß zu den wichtigsten Kriterien bei der Entwicklung von Leistungsbausteinen, meint Steffen Metzger von Infineon, einem der führenden Anbieter solcher Komponenten. Infineon hat dabei einen starken Fokus auf neue Wide-Bandgap-Materialien (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Das sind Halbleiter mit großer energetischer Bandlücke und höherer Ladungsträgerbeweglichkeit als Silizium – und damit mit höheren Schaltfrequenzen. Bei Fachkonferenzen zum Thema Leistungselektronik richten sich deshalb alle Augen auf die neuesten Fortschritte im WBG-Segment. Bis 2020, schätzt Pierric Gueguen von Yole in einem aktuellen Statusreport zur Leistungselektronik, dürften die WBG-Bausteine immerhin bereits 5 % Marktanteil erringen.

Getragen wird diese Euphorie, darin stimmen Experten überein, vor allem vom forcierten Einstieg in die elektrisch fahrenden Autos in allen ihren Varianten – vom leichten Hybridkonzept bis zum voll elektrischen Antrieb. Vor allem vom chinesischen Markt und dessen politisch verordnetem Investitionsprogramm von 10 Mrd. $ in die Elektromobilitätsinfrastruktur verspricht sich die Leistungselektronik massive Anschubeffekte.

Natürlich wird diese Entwicklung, wie andere disruptive Innovationen, die traditionelle Segmentierung der Industrie und ihre etablierte Lieferketten aufbrechen. Zu den klassischen Anbietern von diskreten Bausteinen, Modulen und Wechselrichtern werden sich auch die Autohersteller gesellen. Sie werden den ihnen genehmen Teil der Fertigung unter Kostenaspekten und als differenzierendes Markenmerkmal selbst in die Hand nehmen wollen.

Der kalifornische Hersteller Tesla geht da bereits mit prominentem Beispiel voran – nicht nur mit einer eigenen Batterieproduktion, sondern auch mit ganz eigenen Ideen über die Topologie seiner Leistungssteuerbausteine. Und die asiatischen Anbieter mit ihrer ungebrochenen Neigung zur vertikalen Integration des Angebots von Bausteinen, Systemen und fertigen Geräten tendieren ebenfalls in diese Richtung: Kostensenkung durch Konsolidierungen und Kooperationen bei rasanter Technologieentwicklung.

Technologisch hat bei den WGB-Materialien derzeit SiC die Nase vorn, vor allem wegen der hohen Betriebsspannungen oberhalb von 1200 V. Doch auch in die GaN-Entwicklung wird kräftig investiert, um SiC eines Tages Paroli zu bieten. Denn für GaN, vermutet man bei Yole, wird der eigentliche Durchbruch in der Automobilelektronik kommen.

Eine besondere Marktchance hat man bei einem der führenden Anbieter und Entwickler von GaN-Bausteinen, dem Unternehmen Efficient Power Conversion (EPC) im kalifornischen El Segundo, entdeckt: die drahtlose Ladung batteriebetriebener Datengeräte im Auto durch hochfrequente elektromagnetische Energieübertragung.

Dazu gibt es bereits einen Standardisierungsansatz, „Rezence“ genannt. Als Arbeitsfrequenz wurden 6,78 MHz gewählt. „GaN ist hier der Favorit gegenüber dem langsameren und weniger effizienten Silizium“, sagte EPC-Chef Alex Lidow auf der PCIM 2015.

Die drahtlose Ladung ist als künftige Anwendung der GaN-Technik besonders attraktiv, weil diverse Autohersteller laut Lidow daran denken, eines Tages die schwer zu montierenden Kabelbäume im Auto durch drahtlose Energieübertragung zu ersetzen. Insbesondere bewegliche Elemente wie Türen, Fenster und Kofferraumdeckel stehen hier im Fokus.

Auf europäischer Seite engagieren sich 74 Industrieunternehmen und 80 Forschungseinrichtungen im European Center for Power Electronics (ECPE). Vorwettbewerbliche gemeinsame Forschungsaktivitäten im Rahmen einer strategischen Agenda sollen die europäische Rolle in der Leistungselektronik stärken. „Vorrangiges Ziel ist die Reduzierung der Verluste und Baugrößen auch der passiven Bauelemente“, sagt ECPE-Geschäftsführer Thomas Harder. Wesentliche Erfolgsfaktoren seien hier geeignete Packaging-Technologien.