Höhere Reichweite durch optimierte Umrichter-Designs

Reichweite und Kosten sind Hauptkriterien beim Kauf eines E-Fahrzeugs. Schnell schaltende Halbleiterbauelemente und neue Umrichter-Topologien ermöglichen eine Reduktion der Motorverluste, wodurch der Wirkungsgrad des Antriebsstrangs steigt, der Energiebedarf sinkt und die Reichweite erhöht wird.

Heutige Elektrofahrzeuge kombinieren Zweipunkt-Umrichter und permanenterregte Synchronmaschinen, um die in der Batterie gespeicherte Energie in mechanischen Vortrieb umzusetzen. Im Fokus der Antriebsstrangentwicklung stand in den vergangenen Jahren insbesondere die Reduktion der Verluste in den einzelnen Baugruppen. Moderne Umrichter mit Leistungshalbleitern auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) erreichen im WLTP-Fahrzyklus Wirkungsgrade von über 98 Prozent. Elektromotoren erreichen unter denselben Bedingungen typischerweise 85 bis 90 Prozent Wirkungsgrad.

Eine genauere Analyse der Verluste zeigt, dass Oberschwingungsverzerrungen (Total Harmonic Distortion, THD) in den Hochspannungs-Wechselstromleitungen zum Motor einen erheblichen Einfluss auf dessen Wirkungsgrad haben (Bild 1). Eine ideale sinusförmige Spannung würde die Motorverluste minimieren. Daher ist die Reduktion des THD ein zentrales Entwicklungsziel. Dazu werden in der Automobilindustrie verschiedene Lösungsansätze verfolgt, etwa 3-Level-Topologien (wie T-Type-Umrichter), mehrstufige Batteriekonzepte sowie 2-Level-Umrichter mit erhöhter Schaltfrequenz. Entscheidend ist dabei der optimale Kompromiss zwischen den unterschiedlichen Verlustanteilen im Antriebsstrang.

Optimierung der Antriebsverluste durch schnell schaltende 2-Level-Umrichter

Vergleicht man marktübliche Antriebssysteme mit 2-Level-Umrichtern (2L-Umrichter) und permanenterregten Synchronmaschinen, zeigt sich, dass diese typischerweise mit Schaltfrequenzen von 10 kHz betrieben werden. Dieser Wert ergibt sich häufig als Kompromiss zwischen den Umrichterverlusten, die mit steigender Frequenz annähernd linear zunehmen, und den Motorverlusten, die mit höheren Schaltfrequenzen abnehmen.

Doch durch den Einsatz neuer Technologien lässt sich dieser Kompromiss neu bewerten. Eine optimierte Auslegung der Anstiegs- und Abfallflanken für den Laststrom (di/dt) sowie der Ausgangsspannung (du/dt) ist erforderlich, um ein neues Optimum zu erreichen. Die Begrenzung des di/dt ergibt sich dabei aus der Schaltüberspannung, die durch die parasitäre Induktivität im Kommutierungskreis des Umrichters verursacht wird. In konventionellen Systemen liegen diese parasitären Induktivitäten typischerweise im Bereich von 10 nH bis 20 nH. Durch Chip-Embedding-Technologien wie ENDOPACK Cell von Infineon lassen sich diese auf etwa 5 nH reduzieren. Dadurch kann das zulässige di/dt mindestens verdoppelt werden, während die Schaltüberspannung konstant bleibt.

Bei der Limitierung des du/dt spielen sowohl das Wicklungsschema als auch die Isolationsfestigkeit der Elektromotoren eine entscheidende Rolle. Aktuell liegen die Werte für die Flankensteilheit bei etwa 20 V/ns. Durch die Weiterentwicklung der Isolationsmaterialien sind künftig Werte von bis zu 40 V/ns erreichbar. Entscheidend ist dabei, die Isolationsfestigkeit zu erhöhen, ohne die Wärmeabfuhr der Motorwicklungen zu beeinträchtigen. Um höhere Spannungsflankensteilheiten im Umrichter zu ermöglichen, ist ein Filter auf der AC-Seite erforderlich, der den Motor schützt und Flankensteilheiten von bis zu 60 V/ns im Umrichter-Betrieb zulässt.

Mit den beschriebenen Optimierungen von du/dt und di/dt können die Schaltverluste deutlich reduziert werden (Bild 2). Dadurch verschiebt sich der Kompromiss zwischen Umrichter- und Motorverlusten in Richtung höherer Schaltfrequenzen. Die derzeit üblichen 10 kHz könnten so auf bis zu 40 kHz angehoben werden und damit wesentlich zur Effizienzsteigerung des Antriebsstrangs beitragen.

Für derart hohe Schaltfrequenzen in Traktionsanwendungen ist zudem eine geeignete Halbleitertechnologie erforderlich. In Generation 3 kommt derzeit Siliziumkarbid zum Einsatz. Die neue SiC-Trench-Super-Junction-Technologie (TSJ) ist jedoch noch besser geeignet, da sie die Weiterentwicklung des 2-Level-Umrichters ermöglicht.

Eine weitere Möglichkeit, vergleichbare Effizienzgewinne zu erzielen, bieten 3-Level-Umrichter. Im Gegensatz zu 2-Level-Umrichtern arbeiten sie nicht mit zwei Spannungsniveaus (0 V und 800 V), sondern mit drei Spannungsniveaus (0 V, 400 V und 800 V) zur Modulation der Motorspannung.

Optimierung der THD durch einen T-Type-3-Level-Umrichter

Seit einigen Jahren erforscht die Automobilindustrie verstärkt Multilevel-Topologien, um die inhärenten Grenzen von 2-Level-Systemen zu überwinden. Im automobilen Bereich sind insbesondere Active Neutral Point Clamped (ANPC), Neutral Point Clamped (NPC) und TNPC-Umrichter (T-Type) relevant. Letztere zeichnen sich durch einen vergleichsweise einfachen Aufbau und eine reduzierte Systemkomplexität aus, wodurch die Anforderungen der funktionalen Sicherheit leichter erfüllt werden können.

Das sind die Hauptgründe dafür, warum der T-Type-3L-Umrichter künftig eine wichtige Rolle im Antriebsstrang von Hybrid- und Elektrofahrzeugen einnehmen könnte. Darüber hinaus ergeben sich weitere T-Type-spezifische Vorteile:

• geringe Leistungsverluste im Vergleich zu anderen Dreistufentopologien

• geringere Anzahl an Komponenten im Vergleich zu NPC-Umrichtern

• vereinfachte Gestaltung des Ansteuerungsmusters, da die Basis ein 2L-Umrichter ist

• hohe Kompatibilität mit Wide-Bandgap-Halbleitern (SiC und GaN)

Ein weiterer, jedoch entscheidender Vorteil der T-Type-Topologie ist die Möglichkeit des 2L- und 3L-Betriebs. Je nach Fahrsituation kann softwarebedingt entschieden werden, ob der Umrichter im 3L-T-Type-Modus oder 2L-Umrichter-Modus betrieben wird. Da sechs der zwölf topologischen Schalter ausschließlich im 3L-Betrieb aktiv sind, können diese Schalter in einer alternativen Technologie und in einer anderen Stromtragfähigkeit ausgelegt werden. Daraus ergibt sich folgende Unterscheidung:

• Standard- beziehungsweise Full-T-Type-Umrichter: Betrieb im durchgängigen 3L-Modus, wobei alle Schalter für den maximalen Laststrom ausgelegt sind.

• Smart T-Type-Umrichter: Betrieb im 3-Level-Modus bis etwa 30 bis 40 Prozent der maximalen Leistung (Bild 3); darüber hinaus erfolgt der Betrieb im 2L-Modus.

Der Smart T-Type ist besonders interessant, da er den Teillastbetrieb abdeckt, der im typischen Fahrzyklus den größten Anteil der Betriebszeit ausmacht (Bild 1) und maßgeblich für die Gesamtkosten des Antriebsstrangs beziehungsweise die erforderliche Batteriekapazität verantwortlich ist. Durch die optimierte THD der Spannung zum Elektromotor kann der Wirkungsgrad des Motors im WLTP-Fahrzyklus im Mittel um 4 Prozentpunkte gesteigert werden. Das führt zu einer Reichweitensteigerung von rund 8 Prozent, da der Antriebsstrang sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb genutzt wird. Daraus kann geschlossen werden, dass der Smart-T-Type-Ansatz einen optimalen Kompromiss zwischen den Batteriekosten und den zusätzlichen Kosten für Leistungshalbleiter darstellt.

Multilevel-Batterie (MLC) als Gesamtlösung für die Leistungselektronik

Einen grundlegend anderen Ansatz verfolgt die Multilevel-Batterie, auch Intelligente Batterie oder AC-Batterie genannt. Statt beispielsweise mit 800 V aus einer Vielzahl in Serie geschalteter Zellen zu arbeiten, wird die Batterie in drei Phasen unterteilt. Jede Phase besteht aus Clustern mit einer typischen Spannung von etwa 20 bis 40 V, abhängig von Auslegung und Zellchemie.

Jeder Cluster wird mit einer H-Brücke angesteuert, die vier Schaltzustände ermöglicht: eine positive Spannung für die Antriebsleitung, eine negative Spannung sowie zwei spannungsfreie Zustände. Durch eine geeignete Ansteuerung der Cluster kann direkt eine sinusförmige Ausgangsspannung mit doppelter Batteriespannung erzeugt werden, zum Beispiel +400 V und -400 V für den Elektromotor. Anstelle einer klassischen Pulsweitenmodulation (PWM) wird die Anzahl der gleichzeitig auf den Antriebsstrang geschalteten Cluster variiert. Höherharmonische Anteile treten dabei nahezu nicht auf, was zu einer deutlichen Effizienzsteigerung des Elektromotors führt. Die intelligente Batterie ersetzt damit nicht nur den Umrichter.

Dieses Konzept kann auch auf das Laden angewendet werden, sowohl im AC- als auch im DC-Betrieb, und zwar bis zur vollen Motorleistung sowie bidirektional ohne Einschränkung. Dadurch kann auch der On-Board Charger eingespart werden. Zudem können die Cluster in beliebiger Reihenfolge genutzt werden, bevorzugt jeweils der mit dem höchsten Ladezustand. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Nutzung der Batterie und damit zu einer verlängerten Lebensdauer. Fällt ein Cluster aus und muss abgeschaltet werden, ermöglichen die verbliebenen Cluster eine Weiterfahrt mit lediglich geringfügiger Leistungsreduktion. Der defekte Cluster kann zu einem späteren Zeitpunkt ersetzt werden, ohne dass dabei die sonst üblichen Hochvoltspannungen anliegen.

Ein wesentlicher Treiber für die Entwicklung der intelligenten Batterie sind die Fortschritte der vergangenen Jahre bei den MOSFET-Technologien. Durchlasswiderstände unter 0,2 mΩ für 40-V-MOSFETs sind heute in Standardgehäusen realisierbar und ermöglichen höchste Qualität bei gleichzeitig geringen Kosten und guter Skalierbarkeit. Auch in der Fertigung kann auf bestehende Prozesse und Technologien zurückgegriffen werden, sodass der Einsatz neuer Fertigungsverfahren im Serienbetrieb nicht erforderlich ist.

Für die Ansteuerung sind jedoch neue Konzepte notwendig: Die Herausforderung besteht darin, dass die Ansteuerung über die kumulierte Clusterspannung hinweg und damit über einen galvanisch isolierten Bus erfolgen muss. Trotz der erhöhten Komplexität zeigen Abschätzungen, dass die Effizienz der MLC-Architektur nicht durch die Komplexität limitiert wird (Bild 4). Im Gegenteil: Durch die geringeren Schaltfrequenzen und niedrigen Spannungsniveaus tragen die Schaltverluste der Niedervolt-MOSFETs nur unwesentlich zum Gesamtverlust bei.

Fazit

Alle drei gezeigten Methoden – schnell schaltender 2L-Umrichter, 3L-T-Type-Umrichter und Multilevel-Batterie – eignen sich zur Optimierung der THD am Elektromotor und ermöglichen signifikante Reichweitensteigerungen von über 8 Prozent. Der Einsatz der jeweiligen Methode hängt dabei stark vom jeweiligen Einsatzgebiet im automobilen Umfeld ab. Der schnell schaltende 2L-Umrichter stellt eine fortschrittliche Möglichkeit dar, lässt jedoch die grundlegenden Systemaspekte eines klassischen 2L-Umrichters weitgehend unverändert. Der 3L-T-Type-Umrichter bleibt hingegen nahe an etablierten Integrationskonzepten. Die Multilevel-Batterie verfolgt einen grundlegend neuen Ansatz in der Fahrzeug-Leistungselektronik und bietet dadurch das Potenzial, zusätzliche Komponenten überflüssig zu machen. Grundsätzlich erfordert jede dieser Lösungen einen spezifisch angepassten Halbleiter-Stack. Für die betrachteten Topologien bietet Infineon entsprechende, auf die jeweiligen Systemanforderungen abgestimmte Halbleiterlösungen.

Die Autoren

Christoph Bauer
ist Senior Principal System Architekt für Traktionsumrichter bei Infineon Technologies.

Mark Münzer
ist Motor Control Fellow bei Infineon Technologies

Dr. Dusan Graovac
ist Senior Director Program Management and Innovation bei Infineon Technologies

Dirk Ahlers
ist Distinguished Engineer für MOSFET Entwicklung bei Infineon Technologies

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