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Standardisierte Subsystem-Bausteine optimieren HEV-Gesamtsystem

Leistungselektronikkonzept für Hybrid-Elektrofahrzeuge

10. August 2012, 9:01 Uhr | Steffi Eckardt

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Die Durchbruchspannung konstant halten

Eine weitere wichtige Anforderung an IGBTs, die in HEVs zum Einsatz kommen, liegt in der Durchbruchspannung. Diese muss über den gesamten automobilen Temperaturbereich, also in der Regel von –40 bis +175 °C, ausreichend hoch sein. Viele IGBTs sind bei Zimmertemperatur spezifiziert, häufig mit 600 V, was bedeutet, dass die Durchbruchspannung bei kalten Temperaturen (–40 °C) wesentlich niedriger sein wird als 600 V, das typische Durchbruchspannungsverhalten von Trench-IGBTs über der Temperatur. Endnutzer möchten ihre HEVs jedoch auch bei kaltem Winterwetter und in sehr kalten Regionen fahren. Deshalb benötigen OEMs einen zuverlässigen und garantierten sicheren Arbeitsbereich der IGBTs bei allen möglichen Umgebungstemperaturen. Während manche Halbleiteranbieter dazu neigen, die IGBT-Leistung durch die kleinstmögliche Durchbruchspannung bei Zimmertemperatur zu optimieren, also einem Kompromiss zwischen Parameter und IGBT-Verlusten, spezifiziert International Rectifier seine Automotive-IGBTs über den gesamten Temperaturbereich, wobei die Durchbruchspannung über den für Automotive-Applikationen relevanten Temperaturbereich hinweg uneingeschränkt bei über 650 V liegt. Dieser Unterschied kann von Systementwicklungsingenieuren, die sich auf einen Vergleich der Datenblattwerte alternativer Teile beschränken, übersehen werden. Viel zu spät treten die daraus entstehenden Probleme dann erst im Feldeinsatz zutage, wenn das HEV-System in kalter Umgebung getestet wird und die IGBTs der benötigten Spannung nicht standhalten können.
IR stellt eine maximale Sperrschichttemperatur von 175 °C als Standardmerkmal auf sämtlichen COOLiRIGBTs zur Verfügung. Damit erhalten Systementwickler eine größere Design-Freiheit. So sind höhere Kühlwassertemperaturen möglich und es gibt einen größeren Puffer für Power-Boosts mit wenigen Einschränkungen bezüglich der Umgebungstemperaturbedingungen.
Die Diode ist beim Einsatz in Antriebs-Wechselrichtern der „Partnerbaustein“ für IGBTs, auch wenn oft unterschätzt wird, eine Freilaufdiode mit dem IGBT abzustimmen. Während MOSFETs eine spezifische Reverse-Conducting-Diode enthalten, sieht der physikalische Aufbau von IGBTs das nicht vor. IGBTs benötigen eine separate Diode, die einen Reverse-Conduction-Stromfluss sicherstellt, beispielsweise den so genannten Freilaufstrom im Wechselrichter eines Antriebs. Leider wird häufig nicht erkannt, dass die Leistungsfähigkeit des Wechselrichters in hohem Maße von der Leistungsfähigkeit und den Eigenschaften dieser Freilaufdiode abhängt. Deshalb sind Ansätze wie die Integration der Diode in den IGBT – so genannte Reverse-Conducting-IGBT-Konzepte – möglicherweise nicht unbedingt für den HEV-Markt geeignet, in dem Wirkungsgrad und Leistungsfähigkeit von entscheidender Bedeutung sind. Eine Diodenstruktur, die monolithisch in einen IGBT integriert wird, führt zwangsläufig zu einem Kompromiss bei einem der beiden Bausteine. Und dieser ist in der Regel nicht gut genug für Wirkungsgrad-optimierte HEV-Systeme mit einer hohen Leistungsdichte.
IR’s Lösungsmethode verlässt sich auf eine optimierte, getrennte Diode, die im gleichen Gehäuse untergebracht und in vollem Umfang mit den COOLiRIGBTs abgeglichen ist. Bei dieser modernen Automotive-Diode mit der Bezeichnung COOLiRDiode, die im eigenen Haus entwickelt und produziert wird, handelt es sich ebenfalls um einen dünnen Baustein mit lötbarem Front-Metall, der 175 °C aushält. Die Komponente ist schnell und zeigt gleichzeitig ein hohes Soft-Recovery-Verhalten – auch bei hohen Strömen ohne Überschwingen. Dementsprechend überzeugt sie mit einer hervorragenden Schaltleistung bei niedrigen EMI-Pegeln. Bild 1 und Bild 2 zeigen das Verhalten von IR’s COOLiRIGBT und COOLiRDiode im Vergleich zu einem Wettbewerbsbaustein.
Die bereits erwähnten Siliziumbausteine stehen in verschiedenen Spannungsbereichen zur Verfügung, während Mainstream-Produkte mit 680 V und 1200 V lieferbar sind. Schalt- und Leitungsverluste beim Einsatz in Wechselrichtern im Frequenzbereich 10 kHz wurden reduziert. Darüber hinaus überzeugt die COOLiRIGBT-Plattform mit einer verbesserten Schaltgeschwindigkeit von 200 kHz optimiert. Mit der hohen Leistungsfähigkeit und Robustheit eines 175-°C-IGBTs ist dieses Produkt eine gangbare Alternative zu den verbreitet eingesetzten HV-MOSFETs oder Superjunction-Bausteinen, siehe Messdatenbeispiel in Bild 3. Der Temperaturbereich von 175 °C und die einfache und robuste Bausteinstruktur der 200-kHz-fähigen COOLiRIGBTs stellen eine preisgünstige Alternative für schnell schaltende Anwendungen, wie DC/DC-Wandler oder Ladegeräte, sowie für Stromversorgungen dar, die in HEVs, in Plug-in-HEVs und EVs zum Einsatz kommen. Technische Details stellt IR auf der ISPSD 2012 vor.