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E-Booster in automobilen 48-V-Systemen

48 V ist billiger als Strafe zahlen

26. Oktober 2020, 12:42 Uhr   |  Ute Häußler

48 V ist billiger als Strafe zahlen
© Unsplash | Chuttersnap

E-Booster sorgen für höhere Beschleunigung, wichtiger sind die Mini-Turbolader aber für geringeren Verbrauch und weniger CO2-Emissionen. Mit 48-V-Systemen wächst die Nachfrage. Wie sieht die Zukunft der E-Booster und der verbauten Si-MOSFETS aus? Ein Interview mit Gregor Knappik von Avnet Silica.

E-Booster kommen in Verbrennern und Hybrid-Fahrzeugen zum Einsatz. Wann wird der e-Booster sterben?

Der E-Booster ist ganz klar eine Übergangstechnologie. In modernen Verbrennern oder Hybriden mit 48-V-Systemen aber ist das Bauteil für die Automobilhersteller entscheidend für einen geringen CO2-Ausstoß laut EU-Klimavorgabe und die Anforderungen der Euro-7-Norm. Der E-Booster hat daneben auch direkten Kundennutzen, ein deutliches Plus an Komfort und Fahrleistung. Nachdem 2030 noch 50 Prozent aller Fahrzeuge Verbrenner, 25 Prozent Mild-Hybride und die restlichen 25 Prozent auf Plug-In-Hybride oder Vollstromer entfallen sollen, liegt im E-Booster noch großes Potenzial und viel Raum, die Technik weiterzuentwickeln. 48-V-Systeme finden gerade ihren Weg aus der Oberklasse in die Mittelklasse und deren Serienfertigung mit hohen Stückzahlen. Nahezu alle Hersteller und OEMs setzen in ihren Roadmaps darauf, BMW etwa wird ab diesem Jahr den 3er serienmäßig mit 48 V ausliefern.

EBooster 48V Halbleiter
© Avnet Silica

Gregor Knappik ist Automotive- und Embedded Software-Experte sowie IoT-Sicherheitsspezialist für Kryptographie, Datenintegrität und Authentifizierung. Er hat über 16 Jahre Halbleitererfahrung, nach Stationen bei Philips, NXP, Atmel und MicroChip arbeitet er bei Avnet Silica.

Aber auch diese Märkte sollen langfristig mit Vollstromern bedient werden.

Selbst wenn diese Märkte in eher ferner denn naher Zukunft vollelektrisiert sein sollten, E-Booster werden in weitere Bereiche vordringen. Kernmarkt wird dann das Transportwesen mit seinen Schwer-LKWs und Baufahrzeugen sein. Die EU fordert dort ebenfalls eine CO2-Reduzierung, bis 2030 um 30 Prozent auf Basis des Vecto-Messverfahrens (Vehicle Energy Consumption Calculation Tool). 48-V-Systeme und E-Booster können in diesem Segment die Leistung weiter erhöhen und helfen, die EU-Anforderungen einzuhalten. Die 48-V-Technik ist billiger als eine Strafzahlung.

Einige Branchenstimmen sehen E-Booster auch in 12-V-Systemen, etwa in Kleinwagen.

Das sehe ich nicht. Wenn sie 4 kW zur Verfügung haben und ein E-Booster allein 2,5 kW brauchen würde, reicht die Gesamtleistung nicht für die Einführung solcher oder anderer neuer Features wie etwa Active Chassis oder autonomes Fahren. Zudem fehlt der Platz. Es müsste die gesamte Architektur und Platzverteilung angepasst werden, ein Kleinwagen würde ohne nennenswerten Mehrwert nur teurer und enger werden. Und auch Dieselantriebe, wo E-Booster den größten Nutzen haben, wird es aufgrund des schlechten Kosten-Nutzen-Verhältnisses in dieser Klasse eher nicht geben. Dann besser reine batteriebetriebene Stadtflitzer mit 48-V-Bordnetz.

E-Booster arbeiten mit Silizum-MOSFETS, Galliumnidrid gewinnt im Auto gerade deutlich Marktanteile. Würden aus Ihrer Sicht GaN-Hemts an dieser Stelle Sinn machen?

Galliumnidrid wäre für E-Booster theoretisch denkbar, ist aber in anderen Automotive-Anwendungen wie DC-DC-Wandlern oder OBCs (On-Board-Charger) deutlich besser aufgehoben. Bei den mit 50 Khz recht niedrigen Schaltfrequenzen könnte GaN aus E-Boostern nicht mehr viel herausholen, was den Aufpreis im Massenmarkt rechtfertigen würde. Zurzeit sind Si-MOSFETS hinsichtlich Zuverlässigkeit und Packaging für E-Booster unschlagbar.

Wo liegen die absehbaren technischen Weiterentwicklungen bei Si-MOSFETS?

Si-MOSFETS haben mit Abstand den größten Zuwachs unter den 48-V-Komponenten, ihr Anteil hat sich verdreifacht und wir sehen eine sehr hohe Nachfrage. Die Halbleiterfirmen investieren derzeit stark in neue Packages und dort vor allem in eine effektive Wärmeableitung und das PCB-Layout. Infineons Optimos-Technologie ist nur ein Beispiel. Top-Side-Cooling wird in absehbarer Zeit die Wärme auf der Platine beherrschbar machen. Insgesamt sehen wir, dass die Produktqualität über alle Hersteller steigt und der Einschaltwiderstand RDS(on) weiter sinkt. Es gibt jetzt N-Kanal-Leistungs-MOSFETs mit <1.5mΩ. Neue Komponenten wie 3-Phasen-Treiber von ST Microelectronics sind für 48 V Systeme erhältlich, die deutsche VDA320-Norm sowie die internationale ISO/CD 21780 Norm werden nicht mehr lange auf sich warten lassen, um Spannungsspitzen bis 75 V abzudecken. Zudem hält der Trend weg von diskreter Bauweise, hinzu innovativen Packages weiter an. Hochintegrierte Power-Module zum Beispiel von ON Semiconductor aus der APM-Linie sparen Platz. Immer wichtiger wird dabei auch die kundenspezifische Entwicklung und Integration.

EBooster 48V Halbleiter
© Elektronik Layout

sagt Gregor Knappik von Avnet Silica.

Welche Trends sehen Sie übergeordnet für Halbleiter im Automotive-Bereich?

Cyber-Sicherheit wird sehr wichtig. MCU- und andere Halbleiterarchitekturen brauchen CAN-Interface-Schutz und funktionale Sicherheit. Die Firmware wird aktualisierbar sein müssen. Mit neuen Abo-Services müssen Funktionalitäten über eine App regelbar sein, je nachdem wofür der Fahrer zahlen möchte. Auch die E-Booster-Hersteller müssen auf digitale Geschäftsmodelle umsteigen und sich auf ein Up- und Downsizing per App einstellen. Das einzig wirkliche Differenzierungskriterium wird die Software und deren Sicherheit sein. Power, Safety und Security sowie Software sind die zukünftigen Erfolgsschlüssel. Avnet Silica pflegt einen engen Herstellerkontakt und wir können unseren Kunden damit einen frühzeitigen Zugriff auf Technologien bieten und sie in der Architektur- und Systementwicklung unterstützen. Wir sind beispielsweise ECSO-Mitglied und beraten unsere Kunden nach dem „Cyber Security Act“ (CSA). Noch ist das freiwillig, soll aber nach dem Willen der EU bald verpflichtender Standard sein. Und das kann schnell gehen: In Zukunft muss dann jedes Produkt für den europäischen Markt mit einer Kommunikationsschnittstelle dem CSA entsprechen. Ob und wie das Produkt in den CSA Bereich fällt, können unsere Security Experten zusammen mit dem Kunden herausarbeiten. Branchen mit langen Produktlebenszyklen wie Automotive sollten daher jetzt vorsorgen. Nachrüsten bedeutet allzu oft zwei Mal entwickeln. UH

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