Hochleistungs-IGBT-Module Gestiegene Erwartungen erfüllen

Die Halbleitermodule helfen Anforderungen  in der Elektromobilität zu erweitern.
Die Halbleitermodule helfen Anforderungen in der Elektromobilität zu erweitern.

Die Anforderungen und Konzepte der Elektromobilität sind besonders in den letzten Jahren stark erweitert worden. Neben den Umwelteigenschaften tritt zusätzlich verstärkt der Aspekt anspruchsvoller Fahrleistungen in den Vordergrund. Halbleitermodule helfen in der Leistungselektronik.

In den letzten Jahren gewinnt das Interesse an Elektromobilität zunehmend an Bedeutung. Eine treibende Kraft ist hier die verstärkte Vermeidung von schädlichen Abgasen und die Einhaltung der CO2-Grenzwerte, verbunden mit der effizienteren Nutzung der Energieträger, so zum Beispiel durch die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs in Hybridfahrzeugen. Derzeitiges Ziel in der EU ist es dabei, im Jahre 2020 für den CO2-Ausstoß bei den Fahrzeugherstellern einen Flottenwert von 95g/km zu erreichen.

Gestiegene Anforderungen

Bei rein batteriebetriebenen Fahrzeugen stand zu Beginn das Modell des elektrischen Stadtautos im Vordergrund, das mit eingeschränkter Reichweite und ausreichender Antriebsleistung die Anforderung an das Ziel der innerstädtischen Abgas- und Feinstaubreduktion erfüllte. Das war nicht zuletzt den zuvor limitierenden technischen Möglichkeiten geschuldet.

Einem völlig anderen Ansatz folgen jetzt die jüngsten Fahrzeugkonzepte, besonders aus den USA, aber zunehmend auch aus Europa. Hier tritt der Einsatz von Elektroantrieben für höhere Leistungen und Drehmoment in den Vordergrund. Damit verkörpern die jüngsten Konzepte Fahrspaß und Fahrdynamik, die nicht mehr im Gegensatz zu den Verbrennungsmotoren stehen, sondern sie oft deutlich übertreffen. Auch konnten die Reichweiten deutlich erhöht werden. Damit haben sich Anspruch und Ansehen der Elektromobilität deutlich gewandelt. Die derzeitig verfügbaren Elektrofahrzeuge repräsentieren bereits ein weites Spektrum alltagstauglicher Autos, vom Kleinwagen über das Familienauto bis hin zum Sportwagen.

Das wirkt sich auch auf die Anforderungen der Leistungselektronik aus: Waren zuvor meist noch Antriebsleistungen im Bereich von bis zu 80 kW gefordert, so zielen die jüngsten Anforderungen an immer höhere Leistungsfähigkeit, ohne dabei die in den Automobilstandards festgelegten Forderungen nach Zuverlässigkeit und Langlebigkeit zu vernachlässigen. Eine der entscheidenden Schlüsseltechnologien ist hier die Leistungselektronik, insbesondere die Halbleitermodule.

Die Umwelt im Fokus

All diese Aspekte sind bei Mitsubishi Electric in die Entwicklung von Leistungshalbleitermodulen eines weitreichenden Produktportfolios eingeflossen, mit Sperrspannungen von 650, 900 und 1200 V. In den kompakten 6-in-1-Modulen der Hochleistungsvarianten der J1-Serie reicht das bis zu 1000 A/650 V und 600 A/1200 V.

Dabei kann Mitsubishi Electric auf seine 60-jährige Erfahrung bei den Leistungshalbleitern zurückgreifen: Schon bevor die ersten Elektrofahrzeuge in Serienfertigung gingen, wurden in Industrieanwendungen, aber vor allem im Einsatz im Bereich der Bahntechnik, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit erreicht. Kombiniert wurde das mit Innovationen wie dem weltweit ersten Intelligent Power Module (IPM), aus dem dann das weltweit erste IPM speziell für Elektrofahrzeuge hervorgegangen ist.

In Anlehnung an das Unternehmensmotto „Changes for the better“ wurde mit „Eco Changes – for a greener tomorrow“ das Ziel gesetzt, weltweit an einer Verbesserung der Umweltbedingungen mitzuwirken. Dazu gehört auch ganz konkret das Ziel, über alle Unternehmensbereiche 30 Prozent der CO2-Emissionen in den Anwendungen der Produkte einzusparen, verglichen mit dem Referenzjahr 2001.

Volumenproduktion: 8,7 Millionen Fahrzeuge ausgerüstet

Die Volumenproduktion von IGBT-Leistungshalbleitermodulen für Antriebsstränge von Hybrid- und Elektrofahrzeugen begann bei Mitsubishi Electric bereits 1997. Insgesamt sind (Stand 2015) weltweit bereits mehr als 8,7 Millionen dieser Fahrzeuge mit Leistungshalbleitern von Mitsubishi Electric im Antriebsstrang ausgerüstet worden. Dieser Erfahrungsschatz wird aktiv genutzt, um die weitere Entwicklung voranzutreiben.

Mitsubishi Electric hat zuvor schon mehrere Generationen automobiler Leistungshalbleiter in enger Zusammenarbeit mit Automobilherstellern und -zulieferern als kundenspezifisches Design entwickelt. Diese Erfahrungen wurden umgesetzt, um seit 2011 nunmehr Module der Serien „J“ beziehungsweise ab 2013 „J1“ anbieten zu können. Hierbei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf dem europäischen Markt; Mitsubishi Electric Semiconductor steht mit Technik und Qualität der europäischen Automobilindustrie als Partner zur Verfügung.

Unternehmensinterne vertikale Technologieintegration

Mitsubishi Electric verfügt unternehmensintern sowohl über die Chip- als auch die Aufbau- und Verbindungstechnik. Das ermöglicht es, die hohen Anforderungen im Automobilbau in den Bereichen Sicherheit, Effizienz und Miniaturisierung zu realisieren. Durch den Einsatz von CSTBTTM-Chips (Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor) der 7. Generation mit verbesserter Ladungsträgerdichte konnten sowohl die Verlustleistung als auch elektromagnetische Störungen reduziert werden. Dazu trägt ebenfalls der Einsatz von neuen Relaxed-Field-of-Cathode-Dioden (RFC-Dioden) bei. Der Aufbau der Kathodenseite des Chips reduziert Verluste und wirkt gleichzeitig dämpfend auf die Überspannung bei der Kommutierung der Freilaufdiode. Im Vergleich zur vorangegangen Generation ließ sich die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung um weitere zehn Prozent reduzieren.