Die Störbeständigkeit verbessern

Leistungswandler-Architekturen für 48-V-Mildhybrid-Fahrzeuge

6. Juli 2022, 13:30 Uhr | Autoren: Filippo Scrimizzi, Carmelo Mistretta und Giusy Gambino, Redaktion: Irina Hübner
Mildhybrid-Plattformen: Der Gleichspannungswandler von 48-V-Mildhybrid-Systemen mit geeigneten Leistungs-MOSFETs – überzeugende Schalteigenschaften und herausragenden Effizienzwerten. Hohe elektrische Sicherheit, Leistungsfähigkeit
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Mildhybrid-Plattformen zeichnen sich durch ihre Leistungsfähigkeit, den niedrigen Kraftstoffbedarf und hohe elektrische Sicherheit aus. STMicroelectronics bietet für Gleichspannungswandler von 48-V-Mildhybrid-Systemen Leistungs-MOSFETs an – mit herausragenden Schalteigenschaften und Effizienzwerten.

Auf dem Weltmarkt für Automobile werden nach wie vor etwa 80 % des Umsatzes über traditionelle Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor erwirtschaftet, während die übrigen 20 % auf die verschiedenen Arten von Fahrzeugen mit Hybrid- und Elektroantrieb entfallen. Eines der wichtigsten Segmente davon stellen Mildhybrid-Systeme dar, und tatsächlich stellen Mildhybrid-Plattformen inzwischen eine konkrete Alternative zur traditionellen Fahrzeugarchitektur dar, denn sie erfüllen einerseits den Wunsch nach mehr verfügbarer Leistung, während andererseits die Systemkosten insgesamt niedrig gehalten werden. Dies ist den folgenden Eigenschaften zu verdanken:

  • Die höhere Leistungsfähigkeit gestattet ein schnelleres Beschleunigen nach einem Stopp, wobei aufgrund des integrierten Elektroantriebs mehr Drehmoment bei geringer Motordrehzahl verfügbar ist.
  • Geringerer Kraftstoffverbrauch und größeres Leistungsangebot dank 48-V-Architektur und Start-Stopp-System.
  • Niedrigerer Schadstoffausstoß infolge optimierter Verbrennung durch Turboladersysteme, die bei kleineren Motorabmessungen für mehr mechanische Leistung sorgen.
  • Höhere elektrische Sicherheit als Hochspannungslösungen, und zwar sowohl bei der Instandhaltung als auch im Störungsfall.

Leistungswandlung in Mildhybrid-Systemen

In Mildhybrid-Fahrzeugen führt der 48-V/12-V-Gleichspannungswandler einen Teil der Energie, die in dem als Hauptbatterie fungierenden 48-V-Lithium-Ionen-Akku gespeichert ist, der 12-V-Bleibatterie zu, damit diese ihren Ladezustand halten und als Energiequelle für kleinere Verbraucher und Infotainmentsysteme dienen kann. Dennoch kann dieser Wandler bidirektional arbeiten, sodass die 12-V-Batterie in einigen Fällen die 48-V-Batterie teilweise aufladen kann, um dem Fahrzeug die nötige Autonomie zum Anfahren der nächsten Werkstatt zu verleihen [1, 4].

Der besagte Wandler weist in der Regel die folgenden Spezifikationen auf:

  • Ausgangsleistung: 2 kW bis 3,3 kW im Buck-Modus bzw. bis zu 1,5 kW im Boost-Betrieb
  • Ausgangsstrom: ca. 250 A
  • Ausgangsspannung: 12 V bis 14 V
  • Eingangsspannung: 24 V bis 56 V
  • Wirkungsgrad: über 93 %

In Bild 1 ist die Blockschaltung eines solchen mehrphasigen DC/DC-Abwärtswandlers dargestellt.

Blockschaltbild eines mehrphasigen DC/DC-Abwärtswandlers
Bild 1. Blockschaltbild eines mehrphasigen DC/DC-Abwärtswandlers.
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In die Verbindung zur 48-V-Batterie ist ein Sicherheitsschalter eingefügt, um das System im Störungsfall elektrisch trennen zu können. Dieser Schalter wird üblicherweise aus parallelgeschalteten 80-V-MOSFETs mit groß dimensionierten Chips, einem niedrigen statischen Drain-Source-Widerstand (RDS(on)) und hoher Stromfestigkeit gebildet. Der als Power-Modul konstruierte Gleichspannungswandler besteht aus einem Halbbrücken-Treiber mit eingebautem Komparator zur Stromerfassung, der aus Leistungs-MOSFETs gebildeten Halbbrücke (HB) sowie einer Steuereinheit zum Synchronisieren, Aktivieren und Regeln der Interaktion und Aktivierung der einzelnen Phasen gemäß dem jeweiligen Belastungszustand. Zusätzlich übernimmt die Steuerung das Abschalten des Systems, falls es zu gefährlichen Übergangszuständen kommt.

Schließlich ist ein weiterer Sicherheitsschalter zum Trennen der 12-V-Batterie vorhanden. Er setzt sich aus mehreren parallelgeschalteten Zweigen aus antiparallel geschalteten 40-V-MOSFETs mit sehr geringem RDS(on) zusammen. Die Systemarchitektur insgesamt enthält zudem weitere Schutzfunktionen gegen Überströme in einzelnen Phasen sowie gegen Überspannungen am Ausgang bei unterbrochener Verbindung zur Batterie [2, 4]. In dieser Topologie beeinflusst der high-seitige (HS-)MOSFET, der mit Blick auf die Schalteigenschaften und das Störungsaufkommen des Wandlers optimiert ist, die Effizienz bei geringer Last. Der low-seitige (LS-)MOSFET dagegen ist für minimale Leitungsverluste optimiert und steigert somit die Effizienz bei hoher Ausgangsleistung.

Anleitung zum Auswählen der MOSFETs

Grundlegende Kriterien zur Auswahl der MOSFETs für einen von 48 V auf 12 V wandelnden Gleichspannungswandler
Tabelle 1. Grundlegende Kriterien zur Auswahl der MOSFETs für einen von 48 V auf 12 V wandelnden Gleichspannungswandler.
© STMicroelectronics

Die grundlegenden Kriterien zum Auswählen der richtigen MOSFETs für einen von 48 V auf 12 V wandelnden Gleichspannungswandler gehen aus Tabelle 1 hervor. Den besten Kompromiss zwischen Minimierung der Schaltverluste und Optimierung der Leitungsverluste erhält man, wenn man als LS-MOSFET einen Baustein mit niedrigem statischem RDS(on) einsetzt, während als HS-MOSFET ein Bauelement mit geringer Gate-Drain-Ladung (Qgd) zum Einsatz kommt. Diese Abwägung hat großen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Systems [3].

Für 80 V bis 100 V ausgelegte Automotive-Leistungs-MOSFETs auf Basis der STPOWER-STripFET-F7-Technologie wurden gegenüber den Bausteinen der vorigen Serie bezüglich ihrer Anfälligkeit für den Miller-Effekt und ihres Kapazitätsverhältnisses Crss/Ciss optimiert (Bild 2).

Verlauf des Kapazitätsverhältnisses Crss/Ciss bei der Serie STripFET F7 und Bausteinen früherer Baureihen
Bild 2. Verlauf des Kapazitätsverhältnisses Crss/Ciss bei der Serie STripFET F7 und Bausteinen früherer Baureihen.
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Während der Freilaufphase wird die Drain-Source-Spannung (VDS) des MOSFET auf die Vorwärtsspannung (VSD) der Body-Drain-Diode geklemmt [3]. Beim Abschalten kommt es zu einer Zunahme von VDS, wobei das erwähnte Kapazitätsverhältnis eine entscheidende Rolle spielt. Dank seines sanften Verlaufs und seines niedrigen Anfangswerts bei einem VDS-Wert von nahezu 0 V bewirkt das Verhältnis Crss/Ciss die angestrebte Beständigkeit gegen den Miller-Effekt und trägt außerdem dazu bei, die Leitfähigkeit des MOSFET im Subthreshold-Bereich (unterhalb der Schwellenspannung) und somit auch die Empfindlichkeit gegen elektromagnetische Störgrößen (EMI) zu minimieren [3].

Der Hauptbeitrag zur EMI-Aussendung hängt von der Sperrverzögerungsladung der Body-Drain-Diode sowie davon ab, wie sanft das Snap-Back-Verhalten ist. Versuchsdaten belegen, dass der Rückgang des Stroms durch die Body-Drain-Diode auf Null bei STripFET-F7-MOSFETs recht sanft und mit nur wenigen Oszillationen erfolgt, was die Emission hochfrequenter Störgrößen begrenzt [3].


  1. Leistungswandler-Architekturen für 48-V-Mildhybrid-Fahrzeuge
  2. Die neuen Automotive-Prototypen

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