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Eine leistungsfähige Kombination

Optimiertes Moduldesign und SiC-Leistungsbauelemente


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Modulare und skalierbare Produktfamilie

Entwicklungsziel war ein kleines und leichtes Modul mit ähnlichem Ausgangsstrom wie das existierende HP2-Modul. Das HybridPACK Drive Modul mit Pressfit-Anschlüssen und neuer EDT2-IGBT-Technik ist um etwa 40 Prozent kleiner als das vergleichbare Pendant der HP2-Familie – bei gleicher Leistung. Die HybridPACK Drive Produktlinie ist eine skalierbare Plattform mit verschiedenen Optionen für die Leistungsanschlüsse, IGBT- und MOSFET-Techniken sowie des thermischen Aufbaus. Das modulare Konzept beginnt mit den Anschlusslaschen, die entweder einen schnellen Schweißprozess oder Schraubverbindungen für die Lastkontaktierung ermöglichen. Auch eine »Long-Tab«-Version ist verfügbar, um Phasenstrom-Sensoren zu implementieren.

Die HybridPACK Drive Module sind dahingehend ausgelegt, den Entwicklungsaufwand für Umrichterhersteller bestmöglich (je nach Anwendungsgebiet) zu minimieren.

Das HybridPACK Drive Leistungsmodul ist modular aufgebaut und lässt sich einfach über ein weites Spektrum skalieren
Bild 3. Das HybridPACK Drive Leistungsmodul ist modular aufgebaut und lässt sich einfach über ein weites Spektrum skalieren. Der Einsatz von 1200-V-SiC-MOSFETs sorgt für einen signifikanten Leistungssprung bei den Bauteilen.
© Infineon

So kann die Ausgangsleistung reduziert oder erhöht werden, indem man die Basisplatte oder den thermischen Block auswechselt, während das Silizium unverändert bestehen bleibt. Dafür stehen verschiedene Basisplatten (Flat, Wave Cooling und Pin-Fin) sowie verschiedene Keramiksubstrate zur Auswahl. Die Leistungsfähigkeit lässt sich auch variieren, indem die Elektronik (Treiberboard und DC-Link-Kondensator) und das Umrichter-Design beibehalten werden, jedoch die Kühlungsstruktur adaptiert wird. Wird das FS820R08A6P2 Modul mit 750-V-IGBTs, Pin-Fin-Struktur und Standard-Keramik als 100-Prozent-Referenz angesehen, ergibt sich eine Skalierungsbandbreite der Leistung von 70 bis 120 Prozent (Bild 3).

Für noch höhere Leistungen sind auch 1200-V-Techniken für das HybridPACK Drive verfügbar. Zunächst mit 1200-V-IGBTs und verbesserter Keramik und künftig auch mit SiC-MOSFETs (CoolSIC). Die Einführung von SiC, beziehungsweise CoolSIC, verdoppelt die Wandlerleistung und reduziert die Systemkosten – im Hinblick auf die Batterie und kleinere Bauteile.

 

Zusätzliche Leistungssteigerung durch SiC

Im Vergleich zu konventionellen siliziumbasierten Hochvolt-IGBTs oder MOSFETs (> 600 V), bieten SiC-MOSFETs zahlreiche Vorteile. Die 1200-V-SiC-MOSFETs (CoolSiC) von Infineon weisen gegenüber IGBTs geringere Gate-Ladungen und Kapazitätswerte sowie minimale Reverse-Recovery-Verluste der Body-Diode auf. Das resultiert in Schaltverlusten, die im Vergleich zu Silizium deutlich geringer und zudem auch temperaturunabhängig sind.

Die Schaltverluste in diskreten Chip-Produkten mit SiC-MOSFETs sind um bis zu 80 Prozent geringer gegenüber IGBTs. Außerdem besitzen MOSFETs eine Widerstands-Charakteristik, während IGBTs eher mit einer Diode vergleichbar sind. Die schwellwertfreie Einschalt-Charakteristik (On-State) (Bild 4) führt zu kleineren Durchlassverlusten im Teillastbereich.

Die grundlegenden Vorteile prädestinieren SiC-MOSFETs nicht nur für den Betrieb mit höheren Frequenzen wie in Onboard-Ladeschaltungen oder DC/DC-Wandlern, sondern insbesondere auch für Umrichter-Applikationen, wo Schaltfrequenzen von unter 20 kHz erforderlich sind. Hier wird der Wirkungsgrad wesentlich vom Betrieb mit geringen Lasten bestimmt – so arbeitet ein Wandler mehr als 80 Prozent während des aktiven Betriebs mit Lasten von 20 Prozent und weniger. Mit SiC-MOSFETs können die Verluste in Wandlern bei geringer oder mittlerer Last um bis zu zwei Drittel reduziert werden. Zudem lassen sich, durch den Einsatz von SiC-MOSFETs, kompakte und effiziente Wandler mit deutlich reduzierter Chipfläche realisieren.

Der Wirkungsgrad stellt ein wesentliches Kriterium für Batterie-Elektro-Fahrzeuge (BEVs) dar, denn er hat direkten Einfluss auf die Reichweite beziehungsweise den Einsatz einer kleineren Batterie bei gleicher Reichweite. Da die Batterie einen großen Kostenfaktor darstellt, kann eine Reduzierung der Batteriezellen um fünf Prozent zu einer Kostensenkung in Batteriesystemen (Kapazität von mehr als 80 kWh) von über 800 US-Dollar führen.

Da Silizium keine so hohen Durchbruchsfeldstärken wie SiC unterstützt, weist ein gängiger 1200-V-IGBT deutlich mehr Verluste auf als sein Pendant in der 600-V-Klasse. Des Weiteren ermöglicht ein 1200-V-SiC-MOSFET einen sehr effizienten Betrieb bei Batteriespannungen im Bereich von 850 V.
Damit ist SiC insbesondere für solche Architekturen geeignet, die auch Schnellladeanwendungen realisieren. Mit der sich gerade in Entwicklung befindlichen Infrastruktur wird eine Batterie mit einer Kapazität von 80 kWh in lediglich 15 Minuten zu 80 Prozent aufgeladen.

SiC und HybridPACK Drive

Auch künftig wird die Hochvolt-Batterie die kostenintensivste Komponente von Hybrid- und Elektroantriebssystemen darstellen – gerade vor dem Hintergrund, dass batteriebetriebene Fahrzeuge (BEVs) für Reichweiten von circa 400 km eine Batteriekapazität von bis 100 kWh benötigen. Ein effizienter Wandler mit geringen Verlusten ermöglicht eine bessere Batterieausnutzung und damit eine höhere Reichweite.

Um die Effizienz von Silizium- und SiC-basierten Wandlern zu vergleichen, wurden unterschiedliche Fahrszenarien analysiert. Dabei zeigte sich, dass ein SiC-basierter Wandler einen Wirkungsgrad von über 99 Prozent erreichen kann – in allen Szenarien. Wird zudem die Energierückgewinnung berücksichtigt, so kann er die Reichweite für BEVs um fünf bis zehn Prozent erhöhen. Auf Systemebene bieten weitere Effekte, wie Streuinduktivität, elektromagnetische Interferenz (EMI) oder die Isolation gegenüber den Motorwicklungen, weiteres Optimierungspotenzial.

SiC in künftigen Automobil-Applikationen

Die Kombination aus SiC-MOSFETs (CoolSIC) und dem optimierten, skalierbaren HybridPACK-Drive Leistungsmodulgehäuse führt zu erhöhter Wandlerleistung
Bild 5. Die Kombination aus SiC-MOSFETs (CoolSIC) und dem optimierten, skalierbaren HybridPACK-Drive Leistungsmodulgehäuse führt zu erhöhter Wandlerleistung.
© Infineon

Die 1200-V-CoolSIC-MOSFETs repräsentieren neue Möglichkeiten hinsichtlich Effizienz und Leistungsdichte in Kombination mit neuer Gehäusetechnik und entsprechenden Gatetreibern. In Zukunft werden daher xEV-Fahrzeuge und weitere Automobil-Applikationen die Vorteile von SiC nützen können. Die Kombination aus SiC-MOSFETs (Bild 5) und optimierten, skalierbaren Leistungsmodulgehäusen, wie dem HybridPACK Drive, führt zu einer verdoppelten Wandlerleistung bei reduzierten Systemkosten – im Vergleich zu einem entsprechenden Modul mit 1200-V-Si-IGBTs.

Es ist davon auszugehen, dass SiC-basierte Wandler zunächst in Premium-BEV-Plattformen zum Einsatz kommen, die Leistungen von mehr als 200 kW und Systemspannungen von 850 V erfordern.

Um die Realisierung von SiC-Wandlern zu erleichtern, entwickelt Infineon auf Basis des HybridPACK Drive Gehäuses bereits weitere Leistungsmodule, die vollständig auf SiC basieren – mit einem Leistungsbereich von bis zu 300 kW.

 

 

Der Autor

Laurent Beaurenaut von Infineon.
Laurent Beaurenaut von Infineon.
© Infineon

Laurent Beaurenaut

ist Head of Emerging Technologies für elektrische Antriebe bei Infineon Technologies. Als Principal Engineer verfügt er über umfangreiche Erfahrung im Bereich Elektromobilität und verantwortet derzeit die SiC-Produkte für Automobilelektronik-Applikationen weltweit.


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  2. Modulare und skalierbare Produktfamilie

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