Leistungshalbleiter für Hybrid- und Elektrofahrzeuge Das optimale Chipgehäuse einsetzen

Für das Design eines umweltfreundlichen und kosteneffizienten HEVs spielen auch die Leistungshalbleiter eine wichtige Rolle.
Für das Design eines umweltfreundlichen und kosteneffizienten HEVs spielen auch die Leistungshalbleiter eine wichtige Rolle.

Elektro- und Hybridfahrzeuge (HEVs) gelten zwar als umweltfreundlich, stehen aber zu ihrem konventionellen Pendant mit Verbrennungsmotor in Konkurrenz. Um sich durchzusetzen, müssen sie kosteneffizient sein und zuverlässig funktionieren – auch eine Frage der richtigen Leistungshalbleiter.

Die Kraftfahrzeugindustrie durchläuft derzeit eine wichtige Periode der technologischen Änderungen. Die Treibstoffpumpen und Kolben, wie sie im Verbrennungsmotor seit mehr als 100 Jahren eingesetzt wurden, werden jetzt gegen Lithium-Ionen-Batterien, Wechselrichter und IGBTs eingetauscht. 

Die Elektrifizierung des Autos ist keine einfache Übung, bei der lediglich der Elektronikgehalt erhöht wird oder bereits vorhandene Nicht-Automotive-Systeme so angepasst werden, dass sie in ein Automobil passen. Dieser Lösungsweg hieße, die damit verbundenen Herausforderungen erheblich zu unterschätzen. Zwar entsprechen Leistungs- und Spannungspegel denen von industriellen Offline-Anwendungen, doch damit ist bereits Schluss mit den Ähnlichkeiten. Dem Platzangebot und dem Gewicht sind in der Automobilwelt Grenzen gesetzt, und die Umgebung ist rau; eine 0-ppm-Qualität ist zwingend erforderlich, und der Energieversorgung sind im Falle eines rein elektrischen Fahrzeugs enge Grenzen gesetzt, so dass die Effizienz ein ganz entscheidender Faktor ist. Darüber hinaus muss ein derartiges System auch in Hinsicht auf die Kosten wettbewerbsfähig sein. Kurz: Elektromobilität ist ein Zukunftsmarkt, der Halbleiterlösungen braucht, die speziell dafür entwickelt wurden. Ohne entsprechende Leistungshalbleiter würden sich weder Hybrid- noch Elektrofahrzeuge bewegen.

Lösungen für HEVs
Eine der anspruchsvollsten Basisbaugruppen im stärker elektrifizierten Auto ist der Hauptwechselrichter. Hier sind Silizium- und Packaging-Lösungen wichtig, die speziell für diese Applikation entwickelt wurden. In den Anfangszeiten der (H)EVs kamen in der Regel Brick-Module zum Einsatz, die ursprünglich für industrielle Offline-Anwendungen entwickelt wurden, bei denen weder der Leistungsdichte noch den eingeschränkten Formfaktor-Restriktionen wie im Kraftfahrzeugsegment Beachtung gezollt wurde. Sie enthielten normalerweise IGBTs und Dioden mit Nennspannungen von 600 oder 1200 V und die Sperrschichttemperaturen betrugen bis zu 150 ˚C. Die Kurzschlussfestigkeit war auf 6 µs bei Zimmertemperatur begrenzt. Im Automotive-Bereich zählt der Betriebstemperaturbereich zu den wesentlichen Faktoren; er kann bis auf –40 ˚C herunterreichen, was möglicherweise bei der Verarbeitung von Spannungsspitzen dann zu Problemen führt, wenn die Durchbruchspannung (UZ) der IGBTs und Dioden bei niedrigeren Temperaturen absinkt. Aus diesem Grund ist es wichtig, Leistungskomponenten mit einer hohen Versorgungsspannung zu haben, wie die CooliRIGBT-Gen-2-Plattform. Diese Ultra-Thin-Wafer-IGBT-Technologie mit 680 V Nennspannung und Chipgrößen von 24 bis 600 A ist in der Lage, eine UCE(on) in Verbindung mit einer UZ von mindestens 600 V bei –40 ˚C zu liefern. Damit gekoppelt ist die Möglichkeit, den Baustein mit einer Sperrschichttemperatur von +175 ˚C zu betreiben, und zwar nicht nur für einen begrenzten Zeitraum. Durch eine höhere Durchbruchspannung sind größere Spannungsspitzen im System zulässig, wodurch die Notwendigkeit kostspieliger Lösungen zur Einschränkung der Induktivität verringert wird, oder die Systeme können schneller geschaltet werden, was weitere Vorteile mit sich bringt, z.B. eine kleinere Motorgröße. Angesichts der hohen Leistungspegel, die im Zusammenhang mit dem Hauptwechselrichter eine Rolle spielen, ist sowohl der Schutz der Bausteine von hoher Bedeutung als auch die Kurzschlussfestigkeit des Schalters unter heißen Bedingungen. CooliRIGBT-Bausteine von International Rectifier sind im Normalfall so ausgelegt, dass sie Kurzschlusszeiten von mindestens 6 µs bei 150 ˚C aushalten. Die Schutzmerkmale werden durch eine Strommessung auf dem Chip abgerundet.