Fahrwerkselektronik Neue Si-Trends für den Antriebsstrang

Umweltfreundilche und energieffiziente Gestaltung in Fahrzeuge sind umungänglich.
Umweltfreundilche und energieffiziente Gestaltung in Fahrzeuge sind umungänglich.

Um Fahrzeuge umweltfreundlicher und energieeffizienter zu gestalten, sind zwar neue Konzepte für den Antriebsstrang auf lange Sicht unumgänglich. Kurzfristig lassen sich Optimierungen mit bereits vorhandenen Technologien und Komponenten durchführen.

Neue Fahrzeuge sollen heute energieeffizient sein und so wenig Schadstoffemissionen wie möglich in die Umwelt abgeben. Auf lange Sicht sind Antriebsstränge, die nicht auf fossilen Brennstoffen basieren, zwar äußerst vielversprechend. In der Zwischenzeit führt die Automobilindus­trie jedoch weitere Verbesserungen auf der Basis verfügbarer Technologien ein. Ein wichtiger Schritt ist die Hybridisierung, die ein hohes Wachstum bei Mi­krohybriden inklusive Start-Stopp und Mildhybriden verzeichnet. Diese moderaten Hybrid-Lösungen mögen bereits altmodisch erscheinen, dennoch ist die umfangreiche Elektronik- und Mechanik-Entwicklung für diese Art von Fahrzeugen noch nicht abgeschlossen.

Beispielsweise arbeiten Entwickler kontinuierlich an einer Weiterentwicklung der Lichtmaschine. Durch eine verbesserte elektronische Steuerung wird der Wirkungsgrad erhöht, es lässt sich mehr Energie zurückgewinnen und die negativen Auswirkungen häufiger Motorstarts sind geringer. Darüber hinaus sorgen zusätzliche Sensoren für einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch klassischer Verbrennungsmotoren. Zudem tragen induktive Sensoren dazu bei, das Bremssystem zu verbessern, um letztendlich noch mehr Energie einzusparen.

Startergenerator

In einem Startergenerator-System werden die passiven Gleichrichterdioden durch Transistoren für hohe Ströme ersetzt. Sie steuern den Startergenerator als Motor an und führen ebenso eine synchrone Gleichrichtung der erzeugten Statorströme im Startergenerator durch. Synchrone Gleichrichtung (Bild 1) erhöht den Wirkungsgrad der Lichtmaschine erheblich, indem die Body-Diode durch einen niederohmigen Strompfad umgangen wird. Damit reduziert sich die Vorwärtsspannung auf unter 150 mV.

In dieser Anwendung muss ein schnelles Ausschalten sichergestellt sein, sobald sich die Polarität des Statorstroms umkehrt. Jede Verzögerung kann hier zu einer ungewollten Batterieentladung führen, ähnlich wie bei der Sperrverzögerung einer Diode. Deshalb enthält die Treiber-Vorstufe Transistoren mit hoher Anstiegsrate, die innerhalb eines eigenständigen Gate-Regelkreises arbeiten und den bestmöglichen Kompromiss zwischen ohmschen Verlusten während der Gleichrichtung und dem Übergangsverlust bei der Stromumkehr ermöglichen. Die Integration dieser Treiber-Vorstufe in ein monolithisches IC ist äußerst komplex. Zuerst müssen verschiedene Spannungsdomänen auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat vereint werden und zusätzlich muss eine zuverlässige Kommunikation zwischen diesen Domänen sichergestellt sein.

Das Treiber-IC eines Startergenerators (Bild 2) befindet sich in einer sehr rauen Umgebung und diversen Strom- und Spannungsspitzen ausgesetzt, beispielsweise Verpolung, Load Dump, negative Masseverschiebungen, sehr großes dU/dt auf den Statorspulen (im Bereich mehrerer 100 V/µs) oder elek­tro­magnetische Störungen. Mit differenzieller Technik und einer sorgfältigen Handhabung parasitärer (bipolarer) Effekte im Siliziumsubstrat ist es möglich, diese Art von IC in kosteneffizienter Bulk-Silizium-Technologie zu fertigen anstelle von Silicon-on-Insulator (SOI).

Anforderung der funktionalen Sicherheit erfüllen

Neben den herkömmlichen Blei-Säure-Akkus finden sich auch immer mehr moderne Energiespeicher im Stromversorgungsnetzwerk rund um Start-Stopp-Systeme, zum Beispiel Lithium-Ionen-Zellen oder Superkondensatoren. In diesen Systemen ist der Sicherheitsaspekt genauso bedeutsam wie die Kernfunktion. Die Sicherheitsnorm ISO 26262 bekommt daher einen immer wichtigeren Stellenwert und führt zu einem erheblichen Halbleiteranteil für die Überwachung der Anwendung, des IC und seinen Companion-ICs. Damit wird auch die funktionale Sicherheit gewährleistet, sofern diese erforderlich ist.

Die Kombination aus intelligenten Schaltkreisen und Leistungselektronik in unmittelbarer Nähe bedeutet, dass die Sperrschichttemperatur der Steuerschaltungen erheblich ansteigen kann. Dabei müssen Werte von über 175 °C innerhalb der Anwendung in Betracht gezogen werden. Während der Qualifizierungsphase der Bauteile werden Temperaturen von bis zu 200 °C verwendet, um den Degradationsprozess zu beschleunigen und den Abschluss der Lebensdauertests in einem angemessenen Zeitrahmen von 2000 Stunden zu ermöglichen. Durch einen Halbleiterprozess mit erweitertem Temperaturprofil und die Berücksichtigung dieser Einschränkung während der Entwicklungsphase kann dieser Herausforderung wirksam begegnet werden.