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DCDC-Konverter mit hoher Abwärtswandlung

Bessere Power für Mild-Hybride

12. Mai 2020, 13:08 Uhr   |  Von Michael Maurer, Redaktion: Ute Häußler

Bessere Power für Mild-Hybride
© Shutterstock

Mild-Hybrid-Autos mit 48-Volt-Bordnetz sind Treiber der Elektromobilität. Gleichspannungs­wandler spielen dabei für die optimierte Leistungsverteilung eine zentrale Rolle. Schaltregler mit Nano-Pulse-Control-Technologie sollen die Herausfor­derungen der 48-V-Automotive-Systeme ­besser meistern.

Die Klimaerwärmung erfordert umfassende Maßnahmen, insbesondere in der Mobilität und im Automobil. Gesetzliche CO2-Grenzwerte werden gerade weltweit festgelegt, die strengsten Vorgaben gelten dann mit 95 g/km für Europa. Um Strafzahlungen zu vermeiden, entwickeln die Automobilhersteller neuartige Konzepte für Elektroantriebe.

Das sind zum einen reine Elektroautos, die ihren Antriebsstrom aus Akkus ziehen oder Fahrzeuge, die über einer Brennstoffzelle Wasserstoff in elek­trische Energie umwandeln. Die verschiedenen Hybrid-Varianten sind Voll-Hybride, bei denen die Batterie während der Fahrt mit regenerativer Energie aufgeladen wird und die auch rein elektrisches Fahren erlauben, Plug-in-Hybride, die an einer Steckdose aufgeladen werden können und schließlich Mild-Hybride (Mild Hybrid Electric Vehicles, MHEV), die eine 48-V-Batterie mit regenerativer Energie aufladen und mithilfe eines 48-V-Riemen-Starter-Generators (RSG) einen Start-Stopp-Betrieb und die elektrische Verstärkung des Verbrennungsmotors ermöglichen. Allein im Segment der 48-V-Mild-Hybriden werden 7,1 Millionen Fahrzeuge bis 2024 prognostiziert (Bild 1).

Mild-Hybride
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Vorausgesagte Marktentwicklung für voll- und teilelektrische Fahrzeuge bis 2024.

Doch wie verringert der Einsatz von Hybrid-Antrieben den Kraftstoffverbrauch? Bei Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren und 12-V-Bleibatterie muss die gesamte Energie nicht nur für den Antrieb, sondern auch zum Betrieb der elektrischen Systeme wie Beleuchtung, Gebläse der Klimaanlage usw. vom Motor erzeugt werden. Auch in teilelektrisch angetriebenen Fahrzeugen lädt regenerative Energie, wie etwa beim Bremsen erzeugt, den Akku auf. Diese Energie wird zur Unterstützung des Verbrennungsmotors in verschiedenen Antriebssituationen benutzt, die erforderliche Motorleistung reduziert und weniger Kraftstoff verbraucht.
Die möglichen Kraftstoffeinsparungen und damit die CO2-Reduktionen sind bei Plug-in- und Voll-Hybrid-Systemen sehr groß. Der technische Aufwand und die damit verbunden Kosten sind jedoch im Verhältnis erheblich. Das zusätzliche Gewicht und der Platzbedarf machen den Einsatz in kompakten und kleinen Autos schwierig. Im Gegensatz dazu ist ein 48-V-Mild-Hybrid-System nicht nur platzsparender und kostengünstiger, sondern reduziert im Vergleich zu einem herkömmlichen 12-V-Fahrzeug die CO2-Emissionen signifikant.

Stromversorgungs-ICs für 48-V-MHEV

Ein wesentlicher Unterschied zwischen konventionellen und Mild-Hy­brid-Fahrzeugen ist die Nennspannung der Batterie. Bei MHEV ist sie mit 48 V viermal so hoch. Da jedoch alle anderen elektrischen und elektronischen Einheiten einschließlich der Steuergeräte mit den bisher gängigen niedrigen Spannungen arbeiten, erhöht sich für die Stromversorgungs-ICs die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung (Bild 2).

Mild-Hybride
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Unterschiede zwischen den Stromversorgungssystemen.

Um die Spannung von 48 V auf die von elektronischen Steuergeräten benötigten typischen 5 V oder 3,3 V zu wandeln, sind üblicherweise zwei Stufen der Spannungswandlung erforderlich. Zuerst eine Zwischenwandlung auf 12 V und dann eine zweite Konvertierung auf 5 V oder 3,3 V. Diese Schritte erhöhen die Zahl der ICs und Peripheriekomponenten, den Platzbedarf und die Kosten. Nicht zuletzt wird hierdurch der elektrische Wirkungsgrad verringert, was wiederum die Verlustleistung erhöht und damit den Aufwand, diese thermisch abzuführen. Gleichspannungswandler mit einem hohen Abwärtswandlungsverhältnis, die in einem Schritt aus einer sehr hohen Eingangsspannung direkt eine niedrige Ausgangsspannung erzeugen, wären in dem Fall die ideale Lösung.

Eine niedrigere Schaltfrequenz ist eine Methode, das Abwärtswandlungsverhältnis zu erhöhen. Jedoch würden dafür größere Spulen und Kondensatoren benötigt und Schaltfrequenzen unterhalb von 2 MHz könnten das AM-Frequenzband stören.
Ein optimaler Gleichspannungswan­dler für Mild-Hybrid-Fahrzeuge mit 48 V braucht dementsprechend ein hohes Abwärtswandlungsverhältnis bei einer gleichzeitig sehr hohen Schaltfrequenz.

Stromversorgungs-IC mit Nano-Pulse-Control-Technologie

Die Wandlung einer hohen Eingangsspannung in eine niedrige Ausgansspannung bei hoher Schaltfrequenz erfordert eine kleine Schaltimpulsbreite. Das stellt momentan noch eine erhebliche technische Herausforderung dar. Der Zusammenhang zwischen Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Schaltfrequenz und Schaltimpulsbreite berechnet sich wie folgt:

Mild-Hybride
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ton: Schaltimpulsbreite, VOUT: Ausgangsspannung, VIN: Eingangsspannung, f: Schaltfrequenz 

Das bedeutet, dass bei höheren Abwärtswandlungsverhältnissen und steigender Frequenz die Schaltimpulsbreite abnehmen muss. Um die für 48-V-MHEV-Systeme notwendigen kurzen Schaltimpulse zu erzeugen, müssen zunächst zwei Probleme gelöst werden, die mit dem unvermeidlichen Schaltrauschen zusammenhängen.

Erstens vergrößert eine erhöhte Eingangsspannung oder Schaltfrequenz aufgrund der vorhandenen parasitären Induktivität oder Kapazität gleichzeitig den Rauschanteil (Bild 3).

Mild-Hybride
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Schaltrauschen bei steigenden Spannungen und Frequenzen

Zweitens kann das Schaltrauschen das Verhalten des Wandlers instabil werden lassen. Dies kann bei herkömmlichen Regelmethoden mit Zeitmasken verhindert werden. Zudem wird eine Analogschaltung benötigt, die eine zusätzliche Verzögerungszeit einführt, um einen gleichzeitigen Strom durch den High-Side- und Low-Side-FET zu verhindern. Diese beiden Effekte vergrößern wiederum die Pulsbreite.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen hat der Elektronik- und Halbleiterhersteller Rohm eine neue Technologie namens Nano-Pulse-Control entwickelt. Auf der Basis von hochspannungsfesten BiCDMOS-Prozessen und ultraschneller Pulssteuerung kann die Nano-Puls-Technologie das Schaltrauschen frühzeitig erkennen und kompensieren.

Als erster IC arbeitet der BD9V100MUF-C-Baustein mit der neuartigen Technologie. Um aus der maximal in 48-V-Systemen auftretenden Batteriespannung von bis zu 60 V die gewünschten 3,3 V bei einer Schaltfrequenz von 2.1 MHz zu erhalten, beträgt die erforderliche Pulsbreite ca. 30 ns, unter Berücksichtigung von Schwankungen von Last und Stromversorgung deutlich weniger als 30 ns. Der neue Nano-Puls-IC kann bis zu 9 ns kurze Schaltpulse erzeugen. So lässt sich mit einer Pulsbreite von 20 ns bei einem Eingangsspannungbereich von 16 V bis 60 V eine stabile Ausgangsspannung von 2,5 V erzeugen. Dies entspricht einem Abwärtswandlerverhältnis von bis zu 24:1 (Bild 4 und Bild 5).

Mild-Hybride
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BD9V100MUF-C ermöglicht bei 2,1 MHz die direkte Abwärtswandlung von 60 V auf 2,5 V.

Mild-Hybride
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Stabile Schaltfrequenz über einen weiten Eingangsspannungsbereich.

Weniger Kurzschlüsse, auch in der Industrie

Der Nano-Puls-IC ist nach AEC-Q100 Grade 1 für Automobilanwendungen qualifiziert. Mit zahlreichen Schutzfunktionen können Störungen oder Überschreitungen zulässiger Parameter und damit einhergehende Beschädigungen des ICs oder des Systems verhindert werden.

Wenn zum Beispiel bei einer Eingangsspannung von 60 V Eingang und Schaltausgang kurzgeschlossen werden, könnte ein konventioneller Kurzschlußschutz eine Zerstörung des IC nicht verhindern. Die Nano-Pulse-Technologie dagegen kann Anomalien erkennen und die Ausgänge deaktivieren, bevor ein potenzieller Schaden eintritt. Für eine höhere Zuverlässigkeit bei der Platinenbestückung kommt ein Wettable-Flank-Gehäuse zum Einsatz. Dies gewährleistet die Möglichkeit von optischen Inspektionen der Lötstellen und trägt zur Reduzierung der Systemkosten bei. Neben dem Automobilbereich eignen sich 48-V-Lithium-Ionen-Batterien auch für Industrieanwendungen wie Basisstationen oder Baumaschinen. Viele der in diesen Geräten verwendeten MCUs arbeiten ebenfalls mit 3,3 V oder 5 V, womit auch diese Anwendungen von der Nano-Puls-Technologie profitieren können.

Die neuartige Nano-Pulse-Technologie ermöglicht kleinere, einfachere Netzteile für Mild-Hybrid- und Industriesysteme und bietet höhere Spannungswandlungsverhältnisse sowie kürzere Schaltimpulse und gleichzeitig geringere Rauschwerte als bisher erhältliche DC-DC-Wandler-ICs. Durch die hohen Schaltfrequenzen können kleinere und günstigere externe Komponenten eingesetzt werden, was den Platzbedarf und die „Total Cost of Ownership“ gegenüber einer zweistufigen Spannungswandlung zusätzlich verringert.

Mild-Hybride
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Michael Maurer ist Senior Application Marketing Manager für Power Management ICs bei ROHM Semiconductor. Nach seinem Abschluss als Diplomingenieur in Telekommunikationstechnik der Fachhochschule für Technik Esslingen begann er seine berufliche Laufbahn 1988 als Hard-/Software­entwickler bei Alcatel. Vor Rohm arbeitete Maurer als Produkt, Technical und Strategic Marketing Manager bei Dialog Semiconductor sowie als Director Engineering Services beim Unternehmen mm-lab.

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