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Schaltverluste reduzieren

Leistungsmodul mit niedriger Streuinduktivität

13. Juni 2018, 12:50 Uhr | Von Aly Mashaly und Masaharu Nakanishi

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

SiC-Antriebswechselrichter

Bild 7 zeigt zwei Antriebswechselrichter. Der linke Wechselrichter hat eine Bemessungsleistung von 200 kW und nutzt Leistungsmodule, die auf Si-IGBTs und Si-Fast-Recovery-Dioden (FRDs) basieren. Dieser Wechselrichter ist bereits serienmäßig im Einsatz. Der rechte Wechselrichter wurde mit den neu entwickelten SiC-Modulen (Gtype) aufgebaut und weist eine Bemessungsleistung von 220 kW auf. Dank der SiC-MOSFETs und SiC-SBDs konnten ein besseres Konzept der Motorsteuerstrategie, ein effizientes Kühlsystem, eine niederinduktive Stromschienenkonstruktion und ein kompakter Zwischenkreiskondensator erfolgreich implementiert werden. Beide Wechselrichter sind wassergekühlt und beide Ausführungen können mit Batteriesystemen bis zu 800 V eingesetzt werden.

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Wie in Tabelle 1 dargestellt ist, weist der auf SiC basierende Wechselrichter einen hohen Wirkungsgrad sowie eine hohe Leistungsdichte auf. Darüber hinaus wird eine Leistungsdifferenz von etwa 20 kW im Vergleich zu dem IGBT-basierten Antriebswechselrichter erzielt, was mehr Traktion für das Fahrzeug während des Fahrens bedeutet.

Wirtschaftliche Vorteile von SiC im Antriebsstrang

Zurzeit ist zunehmend ein Trend hin zu einer erhöhten Batteriekapazität bei den unterschiedlichen Fahrzeugherstellern zu verzeichnen. Das ist ein Versuch, die Problematik der Batteriereichweite von Elektrofahrzeugen zu lösen.

Die Antriebstechnik – Antriebswechselrichter und Antriebsmotor – verbrauchen im Einsatz einen wesentlichen Teil der in der Batterie gespeicherten Energie. Jede Erhöhung des Wirkungsgrads im Antriebsstrang würde demnach Vorteile bringen. Bild 8 zeigt die wirtschaftlichen Vorteile von SiC in Abhängigkeit von der Batteriekapazität im Jahr 2025.

Basierend auf der zuvor erwähnten Wechselrichtereffizienz und dem Standardfahrzyklus von Personenkraftwagen WLTP, beträgt das mögliche Ka¬pazitätsverbesserungsverhältnis drei bis fünf Prozent. Eine Chipgröße von 25 mm2 bei einem 1200-V-SiC-MOSFET wurde als Basis für die Berechnung angenommen. Der 400-A-Wechselrichter bietet erst bei Batteriegrößen von mehr als 32 kWh einen wirtschaftlichen Nutzen. Weil der Markt für Siliziumkarbid im Moment rasant wächst, erwartet man, dass sich die Preise der SiC-MOSFETs den Preisen für Si-IGBTs in naher Zukunft annähern und damit auch mehr wirtschaftliche Vorteile bringen. Es ist sehr stark davon auszugehen, dass die SiC-Technologie die IGBT-Technologie zwar nicht in allen, aber in vielen Anwendungen verdrängen wird.

Die Autoren

Masaharu Nakanishi

hat einen Hochschulabschluss in Physik von der Universität Kobe in Japan. Seit seinem Eintritt in das Unternehmen war er im Bereich Simulationstechnik von Leistungsbauelementen sowie im Produktmarketing von Leistungsbauelementen bei Rohm in Japan beziehungsweise Rohm Semiconductor in Deutschland tätig. Derzeit verantwortet er die Entwicklung neuer SiC-Leistungsbauelemente.

Aly Mashaly

studierte Elektrotechnik an der Universität in Kairo. Das Masterstudium absolvierte er an der Leibniz Universität Hannover. Seine Berufslaufbahn begann er als Entwicklungsingenieur Leistungselektronik bei Liebherr Elektronik. Anschließend übernahm er die Leitung des E-Mobility-Bereiches bei KEB. Seit Juli 2015 ist er bei Rohm Semiconductor tätig und verantwortet die Power Systems Abteilung für den europäischen Markt.