Elektromobilität
Entwicklung eines Hauptumrichters für HEV
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Verschiedene Leistungsmodul-Konzepte
Wenn alles getan wurde, um die Verluste zu reduzieren (sowohl bezüglich Halbleiter als auch Gehäuse), verbleibt noch eine Möglichkeit, die Leistungsdichte zu erhöhen: eine besser Kühlung. Bild 4 zeigt drei verschiedene Leistungsmodul-Konzepte (ohne Bodenplatte, mit einer flachen Bodenplatte und mit einer Pin-Fin-Bodenplatte) und ihre thermische Impedanz. Der thermische Widerstand kann mit der Pin-Fin-Struktur optimiert werden: Die Unterseite des Moduls ist direkt in den Kühlkanal integriert und die Kühlflüssigkeit kann frei durch die Fin-Struktur fließen. Damit ist keine Wärmepaste mit ihrer limitierten Wärmeleitfähigkeit erforderlich. Außerdem wird mit der Pin-Fin-Struktur die Kühloberfläche für eine effizientere Wärmeableitung erhöht. Damit kann das thermische Verhalten des Modules auf dreierlei Art verbessert werden [1]:
- Höhere Leistungsdichte: Bessere Wärmeabfuhr ermöglicht höhere Leistungen innerhalb des gleichen Systems.
- Weniger komplexes Kühlsystem (geringere Durchflussmenge oder höhere Flüssigkeitstemperatur) sorgt für geringere Kosten.
- Längere Lebensdauer: Unter gleichen Bedingungen sorgt eine bessere Wärmeabfuhr für geringere Temperaturschwankungen. Da die wichtigsten Fehlermechanismen direkt mit den Temperaturschwankungen zusammenhängen, resultiert das in einer längeren Lebensdauer.
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Siliziumkarbid (SiC) wird aufgrund seiner elektrischen und thermischen Eigenschaften voraussichtlich das Material für künftige Leistungselektronik-Anwendungen sein. SiC bietet eine große Bandlücke (3,0 eV für 6H-SiC), eine höhere Sättigungs-Geschwindigkeit als Silizium, eine hohe thermische Leitfähigkeit, einen geringen Widerstand und eine hohe Durchbruchfestigkeit der elektrischen Feldstärke. Damit eröffnet sich das Potenzial für höhere Sperrspannungen, höhere Betriebstemperaturen und geringere Verluste. Außerdem kann SiC mit höheren Schaltfrequenzen betrieben werden, womit kleinere passive Komponenten verwendet werden.
Ausgangs-Charakteristika für Si-basierte Bauelemente der Bilder 5, 6 und 7
Von allen SiC-Schaltkonzepten profitiert der selbstleitende SiC-JFET am meisten von den SiC-Vorzügen in Form von geringen Leistungsverlusten, hoher Zuverlässigkeit und Robustheit. Die Bilder 5 und 6 geben den Vergleich der Ausgangs-Charakteristika und der Schaltverluste von verschiedenen Leistungsbauelementen wieder. Die Schaltverluste der SiC-JFETs sind deutliche geringer als die von Silizium-basierten Leistungsbauelementen. Daraus ergeben sich offensichtliche Vorteile für die Anwendungen (Bild 7):
- Der Wirkungsgrad des Systems wird dank der höheren Schaltfrequenzen verbessert. Mit einfacheren Kühlsystemen können die Kosten reduziert werden.
- Die Leistungsdichte kann aufgrund der höheren Betriebstemperaturen und der geringeren Verluste erhöht werden.
- Mit den höheren Schaltfrequenzen können Größe und Kosten für passive Komponenten reduziert werden.
SiC-Schottky-Dioden in diskreten Gehäusen wurden bereits 2001 im Markt eingeführt. Das erste kommerziell verfügbare Leistungsmodul mit SiC-Schottky-Dioden als Freilaufdioden war das PrimePACK2-IGBT-Modul (600 A, 1.200 V). Leistungsmodul-Prototypen mit Sic-JFETs wurden ebenfalls bereits präsentiert [2] [3]. SiC-Bauelemente können nun in vielen Anwendungen eingesetzt werden, die einen hohen Wirkungsgrad erfordern, wie z.B. Solar-Konverter. Für den Einsatz in der Automobilelektronik wird eine Kostenreduzierung des Basis-Materials eine entscheidende Rolle spielen.
Literatur
[1] Christmann, A.; Mainka, K.: Facing high thermal loads on power modules in hybrid electrical vehicles; PCIM 2010, Nürnberg.
[2] Xi, Z.; Domes, D.; Rupp, R.: Efficiency improvement with silicon carbide based power modules; PCIM 2009, Nürnberg.
[3] Domes, D.; Messelke, C.; Kanschat, P.: 1st industrialized 1200V SiC JFET module for high energy efficiency applications; PCIM 2011, Nürnberg.
Autor
| Dr. Carlos Castro-Serrato |
|---|
| schloss sein Elektrotechnikstudium an der Universität Granada (Spanien) im Jahr 2002 als Diplom-Ingenieur ab. 2006 promovierte er an den Universitäten Dortmund und Granada. Im selben Jahr begann er als Automotive-System-Ingenieur bei Infineon Technologies in München. Seit November 2009 leitet er die Abteilung „Application Engineering Electric Drive Train". |
Carlos.Castro@infineon.com
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