Leistungsverluste reduzieren Schnelle Fahrzeug-Elektrifizierung dank modularer Lösung

Leistungsmodule für den xEV-Hauptwechselrichter sind kosteneffizient in der Entwicklung.
Leistungsmodule für den xEV-Hauptwechselrichter sind kosteneffizient in der Entwicklung.

Immer mehr Hybrid- und Elektrofahrzeuge werden künftig über die Straßen rollen. Um sie möglichst effizient zu entwickeln, bedarf es entsprechender Leistungsmodule für den xEV-Hauptwechselrichter. Infineon stellt neue Module zur Verfügung, mit denen Designs im Bereich von 100 bis 200 kW möglich sind.

Der Markt für hybride und elektrische Fahrzeuge wächst weltweit exponentiell und zeigt die höchsten Wachstumsraten in der Automobilindustrie seit Jahrzehnten. Der Trend wird im Wesentlichen durch gesetzliche Vorgaben zur Reduzierung von Emissionen getrieben. Viele der neuen Standards betreffen nicht den CO2-Ausstoss einzelner Fahrzeuge, sondern die von einem Automobilhersteller vermarktete Flotte. Ein aktuelles Beispiel: Die Europäische Union setzt für die Flotte ab 2021 95 g/km an und schreibt bis 2030 eine Reduzierung auf 59 g/km vor. Um das zu erreichen, müssen Autobauer eine große Bandbreite an Fahrzeugen elektrifizieren – von kleinen Stadtautos über größere Limousinen bis hin zu SUVs. Automobilhersteller und Tier-1-Zulieferer benötigen skalierbare und kosteneffiziente Lösungen, um dieser großen Herausforderung zu begegnen.

Infineon unterstützt Systemanbieter bei dieser Aufgabe mit einem breiten Produktportfolio für xEV-Hauptwechselrichter – vom einzelnen Chip über diskrete Lösungen bis hin zu Leistungsmodulen. Im Zentrum des Leistungsmodulangebots steht das HybridPACK Drive. Das erste Produkt kam 2017 auf den Markt, nun steht eine komplette Produktfamilie zur Verfügung. Sie bietet eine von 100 kW bis 200 kW skalierbare Lösung und ein einfach einsetzbares Design-Konzept, das Tier-1-Zulieferern und Automobilherstellern einen kosteneffektiven Plattformansatz für Hauptwechselrichter ermöglicht. Außerdem wurde ein Produkt mit 1.200-V-Silizium-IGBTs (Si-IGBTs) eingeführt. Die höhere Spannung ist erforderlich, um schnelleres Laden mit Batteriespannungen von ≥700 V zu ermöglichen. Darüber hinaus lassen sich auch die hohen Anforderungen von Nutzfahrzeugen wie Bussen oder Lkws erfüllen. Im nächsten Schritt werden in den Leistungsmodulen auch Siliziumkarbid-Chips (SiC) zum Einsatz kommen, womit eine Verdoppelung der Leistungsdichte im Vergleich zu Si-Komponenten möglich ist.

Herausforderungen begegnen

Die wesentlichen Herausforderungen bei Wechselrichtern sind:

  • Hohe Effizienz
  • Hohe Leistungsdichte und Stromtragfähigkeit
  • Lange Lebensdauer sowie
  • Geringe Kosten

Um dem zu begegnen, hat Infineon 2017 das erste HybridPACK Drive-Leistungsmodul (FS820R08A6P2B) mit der EDT2 IGBT-Chip-Generation eingeführt. Die wesentlichen Fortschritte im Vergleich zu früheren Lösungen: Reduzierung der Leistungsverluste und höhere Stromtragfähigkeit bei geringeren Kosten. Die ersten beiden Faktoren basierten vor allem auf den neuen IGBT-Chips. Die EDT2-Technologie setzte Maßstäbe bei der Stromdichte, der Kurzschlussfestigkeit sowie der erhöhten Sperrspannung und gewährleistet so einen zuverlässigen Betrieb des Wechselrichters unter rauen Bedingungen. Außerdem reduzierten die Chips die Verluste bei geringen Lasten. Damit konnte der Systemwirkungsgrad in realen Antriebsumgebungen signifikant verbessert werden. HybridPACK Drive-Leistungsmodule bieten zudem hohe Luftspalt- und Kriechstrecken-Abstände – ideal für steigende Systemspannungen.

Für eine einfachere Verarbeitbarkeit haben die HybridPACK Drive-Module mechanische Führungselemente und Press-Fit-Pins für die Signalanschlüsse (Bild 1). Damit entfallen zeitaufwendige selektive Lötprozesse – mit entsprechend geringeren Kosten und erhöhter Zuverlässigkeit auf Systemebene. Weil die Pins nicht in das Modulgehäuse integriert sind, ist eine flexible Steuerpin-Anpassung für eine optimale Schaltung auf dem DCB gewährleistet. So lassen sich zukünftige funktionale Upgrades einfach durchführen.

Darüber hinaus sind zwei Lastanschlussverbindungen möglich – für einen Laserschweißprozess oder eine klassische Schraubverbindung zum System. Außerdem gibt es noch eine Long-Tab-Version für die Implementierung von Phasenstrom-Sensoren wie dem LEM HAH3DR 800-S07 direkt auf den Lastanschlüssen.