Auch ohne Toyota ein interessanter Markt Leistungselektronik beschleunigt Hybridfahrzeuge

Das Thema Energieeffizienz hat nun auch die Automobilindustrie erreicht. Vormals wurden neue Motorkonzepte wie Direkteinspritzung oder Hybridantriebe in erster Linie als Möglichkeit zur Kraftstoffeinsparung betrachtet – nun steht auch die Reduktion der Emissionen von Kohlendioxid und anderen Schadstoffen im Vordergrund der öffentlichen Diskussion. Insbesondere Hybridantriebe sind eine ernsthafte Alternative und vor allem für die Leistungselektronik ein interessanter Markt, wie die Fachmesse PCIM 2007 in Nürnberg zeigte.

Auch ohne Toyota ein interessanter Markt

Das Thema Energieeffizienz hat nun auch die Automobilindustrie erreicht. Vormals wurden neue Motorkonzepte wie Direkteinspritzung oder Hybridantriebe in erster Linie als Möglichkeit zur Kraftstoffeinsparung betrachtet – nun steht auch die Reduktion der Emissionen von Kohlendioxid und anderen Schadstoffen im Vordergrund der öffentlichen Diskussion. Insbesondere Hybridantriebe sind eine ernsthafte Alternative und vor allem für die Leistungselektronik ein interessanter Markt, wie die Fachmesse PCIM 2007 in Nürnberg zeigte.

In der Verkehrstechnik ist die Leistungselektronik eine Schlüsseltechnologie für die Entwicklung energieeffizienter Fahrzeuge, besonders für solche mit Hybridantrieb“, unterstrich Prof. J. W. Kolar von der ETH Zürich anlässlich einer speziellen Präsentation des European Center for Power Electronics (ECPE). „Durch Rückgewinnung kinetischer Energie beim Verzögern oder Bremsen, Betrieb des Verbrennungsmotors bei optimalem Wirkungsgrad sowie dessen Abschalten im Leerlauf bieten Hybridantriebe eine erheblich verbesserte Kraftstoffbilanz in Standard-Fahrzyklen innerhalb des Stadtverkehrs.“ Allerdings sei das Automobilumfeld eine Herausforderung für die Leistungselektronik durch die extremen Temperaturanforderungen. Hinzu kommen Null-Fehler-Spezifikationen der Automobilindustrie über eine Zeitspanne von 15 Jahren. Auch sei eine Kostenreduktion um den Faktor 4 für den zusätzlichen Elektroantrieb einschließlich Leistungselektronik bis zum Jahr 2020 eine wesentliche Voraussetzung für die breite Akzeptanz der Hybridtechnologie, so Kolar.

Mehr Silizium für Hybride

Infineon sieht Hybridfahrzeuge als sehr interessanten Markt für die Leistungselektronik, da ein durchschnittlich ausgestattetes Fahrzeug das Äquivalent eines ganzen 6-Zoll-Wafers beinhaltet. „Die prognostizierte Zahl von 2 Millionen oder mehr an weltweit produzierten Hybridfahrzeugen im Jahr 2010 erfordert eine Aufstockung der Kapazitäten; wir haben deshalb proaktiv in neue Fabs investiert, beispielsweise in Kulim/Malysia. Den speziellen Anforderungen von Hybridfahrzeugen tragen wir Rechnung mit dem Design von passenden IGBTs und Dioden. Noch in diesem Jahr starten wir mit 5000 Wafern pro Woche, und diese Zahl wollen wir bis zum Jahr 2010 verdoppeln“, unterstrich Wolfgang Ademmer, bei Infineon zuständig für den Bereich Hybridfahrzeuge.

Dass niemand geringerer als Toyota bereits 2010 rund 1 Million Hybridfahrzeuge produzieren will und aufgrund seiner tief reichenden Wertschöpfungskette auch die zugehörige Leistungselektronik selbst fertigt, ficht Ademmer nicht an. „Die restliche Million ist ausreichend für alle potentiellen Mitstreiter, um in dieses Geschäft einzusteigen. Bis zum Jahr 2015 wird der Markt sowieso in interessante Größenordnungen wachsen. Und vielleicht kommt in 20 Jahren der voll elektrifizierte Antriebsstrang – schon deshalb sollten OEMs bereits heute mit Hybrid- Entwicklungen beginnen.“

Infineon hatte mit HybridPack1 und -2 bereits Leistungsmodule speziell für Hybridfahrzeuge entwickelt. Näheres dazu kann man in Elektronik Automotive 2007, H. 2, S. 26ff., und in Ausgabe 7/2006, S. 79ff., nachlesen. Bei HybridPack1 (Bild 1), das als Herzstück des voll elektrifizierten Demonstrationsfahrzeuges e-cart mit 10-kW-Antrieb fungiert, sind auf die Kupfer-Bodenplatte Keramik-Substrate (Al2O3) aufgelötet, die beidseitig mit Kupfer beschichtet sind. Auf der oberseitigen strukturierten Kupferschicht sind die Silizium-Halbleiter aufgelötet und elektrisch mit Drahtbonds mit der Kupferschicht verbunden (Bild 2).

Problematisch bei solchen Modulen ist der unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizient von Kupfer und Zinn, der bei hohen und vielen Lastwechselzyklen zur Ermüdung von Lotschichten und Ablösung von Bondverbindungen führen kann. Diese Nachteile umgeht das leistungsfähigere HybridPack2 durch Maßnahmen wie AlSiC-Bodenplatte und Sintertechnik für die Aufbringung der Leistungshalbleiter.

Das Getriebegehäuse ähnelt in seiner Form allerdings einer Tuba, die mit der Kupplungsglocke beginnt und sich zu einem engeren Gehäusetunnel verjüngt. Neben den zwei Kupplungsscheiben ist bei innovativer Auslegung des Elektroantriebes noch ausreichend Platz für den Elektromotor einschließlich Umrichter.

Neben dem Elektromotor müssen auch die Komponenten des Umrichters wie der Zwischenkreiskondensator sowie die Leistungsmodule an die baulichen Gegebenheiten adaptiert werden. Zusammen mit Epcos wurde ein ringförmiger Power Capacitor mit einer Kapazität von 500 μF bei 450 V entwickelt, und statt rechteckiger werden bananenförmige Leistungsmodule eingesetzt, die sich nahtlos an die Kupplungsglocke anpassen lassen. „Dieser Prototyp weist eine Leistungsdichte von 75 kVA/l auf und eignet sich für eine Hybrid-Option bei bereits bestehenden Fahrzeugen. Wir werden die Leistungsdichte in den kommenden zehn Jahren verdoppeln können“, ist sich März sicher (Bild 5).