Elektromobilität Entwicklung eines Hauptumrichters für HEV

Bei der Entwicklung eines Umrichters für hybride und elektrische Fahrzeuge müssen viele unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf Systemkosten, Wirkungsgrad, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit erfüllt werden. Dabei ist es oft leider problematisch, ein Kriterium zu verbessern, ohne die anderen negativ zu beeinflussen. Daher kommt der Auswahl des richtigen IGBT-Leistungsmoduls eine sehr große Bedeutung zu.

Hybride und elektrische Fahrzeuge (HEV) werden bei der Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO² -Emission im Verkehrswesen eine wichtige Rolle spielen. China und Deutschland wollen bis 2015 bzw. 2020 je eine Million Elektrofahrzeuge auf ihren Straßen haben.

Außerdem erfordern die strengen CO²- und Verbrauchs- begrenzungen in vielen Ländern von den OEMs, den Anteil an elektrischen und hybriden Fahrzeugen zu erhöhen. Elektromobilität erfordert eine komplette neue Fahrzeug-Architektur mit neuen Applikationen, Systemen und Komponenten (Bild 1).

Eine der wichtigsten Komponenten in HEV-Anwendungen ist der Umrichter. Dieser ist verantwortlich für die Umwandlung einer Hochvolt-Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung für die elektrischen Antriebe in den Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Derzeit nutzen viele dieser Anwendungen einen 3-Phasen-Umrichter, der aus drei Halbleiter-Halbbrücken besteht, die jeweils mit einem der drei Lastanschlüsse bei einem dreiphasigen System verbunden sind (Bild 2).

Eine Gleichspannung erzeugt, von einer Batterie versorgt, eine B6-Vollbrücke bestehend aus drei Halbbrücken. Daraus ergeben sich sechs Schalter mit zugehörigen Freilaufdioden. Über die Ansteuerung der IGBTs werden Spannungspulse an den Ausgängen erzeugt, die an einer induktiven Last einen sinusförmigen Strom ergeben. Der Umrichter kann Ausgangsspannungen mit variabler Frequenz und Spannung erzeugen.

Wie in allen Systemen sind auch in HEV-Anwendungen die wesentlichen Anforderungen und Herausforderungen die Kosten, Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit. Allerdings sind die Prioritäten verschieden, wenn es sich um die Entwicklung eines Umrichters für hybride oder elektrische Fahrzeuge handelt. Beide haben als wesentliches Ziel, die Energieaufnahme und den CO²-Ausstoß zu reduzieren. Allerdings führt die Einführung von zusätzlichen Komponenten (Hochvolt-Batterie, Umrichter und Elektro-motor/-generator) in Hybridfahrzeugen zur Anforderung, den benötigten Platz zu finden. Daher hat hier die Leistungsdichte oberste Priorität. Mit anderen Worten, die erforderliche elektrische Leistung muss mit sehr kompakten Systemen zur Verfügung gestellt werden. Auf der anderen Seite gibt in rein elektrischen Fahrzeugen das Wegfallen des Verbrennungsmotors und anderer größerer Komponenten den Entwicklern mehr Spielraum und die Leistungsdichte steht damit nicht an erster Stelle. Der Erfolg dieser Fahrzeuge hängt ganz wesentlich von der Reichweite ab, womit dem Wirkungsgrad eine enorme Bedeutung zukommt. Übergreifend gilt für alle Automobil-Anwendungen, dass die Kosten und die Zuverlässigkeit beim Design sorgfältig beachtet werden müssen.

Unglücklicherweise beeinflussen sich die genannten Anforderungen gegenseitig. Beispielsweise kann die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad mit leistungsfähigen Technologien wie Siliziumkarbid (SiC) verbessert werden, allerdings bei höheren Systemkosten. Will man andererseits die Systemkosten möglichst gering halten, hat das meist negativen Einfluss auf die Leistung und/oder Zuverlässigkeit.

Nicht nur der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte, sondern auch die Kosten und die Zuverlässigkeit eines Umrichters werden maßgeblich von einer Komponente bestimmt, nämlich dem Leistungsmodul. Diese Komponente enthält in einem Gehäuse alle oder den Großteil der aktiven Halbleiter (im Wesentlichen IGBTs und Dioden) für den Umrichter. Dabei ist die Gehäuse- und Verbindungs-Technologie vergleichbar wichtig wie die Charakteristika der Leistungshalbleiter. Die Entwicklung der Leistungshalbleiter-Technologie war nicht möglich ohne die internen und externen Verbindungs-Technologien und die Realisierung der Wärmeabfuhr von den Halbleitern. Für den praktischen Einsatz mussten die Komponenten extrem robust und haltbar sein. Im Automobil sind im Allgemeinen 15 Jahre und eine Betriebsdauer von 10.000 Stunden gefordert.

Leistungsdichte und Wirkungsgrad

Leistungsdichte und Wirkungsgrad der Leistungselektronik wurden kontinuierlich verbessert. Die IGBT-Module von Infineon konnten ihre Leistungsdichte (kW/cm²) seit 1995 um 180 Prozent steigern.

Prinzipiell gibt es zwei Wege, um die Leistungsdichte weiter zu steigern: die Verluste reduzieren (was gleichzeitig den Wirkungsgrad erhöht) oder die Kühlmaßnahmen optimieren, was sowohl den Halbleiter (Chip) als auch das Gehäuse betrifft (Bild 3). Eines der wichtigsten Merkmale eines IGBT-Modules im Hinblick auf Verluste ist die Streuinduktivität als Summe aller parasitären Induktivitäten der Verbindungen. Im Allgemeinen kann man annehmen, dass je höher die Streu-Induktivität ist, desto höher die Schaltverluste sind. Außerdem erzeugen parasitäre Induktivitäten Spannungsspitzen beim Ausschalten des IGBTs und limitieren damit die maximale Gleich-Bus-Spannung, was wiederum negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Umrichters hat. Aus diesem Grund ist ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung von IGBT-Modulen, die Streuinduktivität so gering wie möglich zu halten. In den letzten Jahren hat Infineon neue Modul-Designs mit viel geringeren Streuinduktivitäten entwickelt. Das Grundprinzip zur Minimierung der Induktivitäten besteht in der Anordnung der internen Gleichspannungsverbindungen (DC+ und DC-) so, dass sie parallel und nah zueinander liegen. So können für neue Gehäusekonzepte Streuinduktivitäten innerhalb der Module von weniger als 10 nH erreicht werden.

Auf der Halbleiter-Seite besteht ein Weg, die Verluste zu reduzieren, darin, die Dicke der Chip-Komponenten (Wafer-Dicke) zu verringern, ohne die Sperrkapazität der Bauelemente zu beeinflussen. Infineon hat eine neue IGBT-Technologie mit einer Sperrspannung von 400 V bei einer Wafer-Dicke von nur 40 µm (zum Vergleich: ein menschliches Haar hat eine Dicke von etwa 70 µm) entwickelt. So konnten die Verluste signifikant gesenkt und der Wirkungsgrad entsprechend gesteigert werden.

Im Unterschied zu den Durchlassverlusten, die ohne Einschränkung für die Applikation reduziert werden können, müssen die Schaltverluste nicht nur für die Chip-Technologie, sondern auch für das System betrachtet werden. Dies bedeutet, dass ein schnelleres Schalten zwar geringere Verluste bringt, aber negative Effekte haben kann. Beispiele dafür sind:

  • Schnelle Strom- und Spannungs-Gradienten (di/dt und dv/dt) tragen zu elektromagnetischen Interferenzen bei.
  • Höhere di/dt-Werte verursachen größere Überspannungen bei Abschalten und begrenzen damit die maximal mögliche Arbeitsspannung.