Energieeffizienz: Halbleiter statt Kraftstoff

Einen entscheidenden Anteil am Kraftstoffverbrauch haben unter anderem die Nebenaggregate des Motors. Durch das Ersetzen mechanischer Komponenten durch elektrische Systeme lässt sich der Wirkungsgrad weiter verbessern. Der Einsatz eines bürstenlosen Lüftermotors zur Motorkühlung ermöglicht zum einen eine genaue Steuerung und zum anderen einen höheren Luftstrom, so dass sich das Volumen der Kühlflüssigkeit reduzieren lässt. Dadurch lässt sich die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors beim Warmlaufen schneller erreichen und auch die Amplitude der Temperaturschwankungen reduzieren.

Das Verkehrsaufkommen ist heute für etwa 25 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Was noch vor einigen Jahren als Träumerei „grüner“ Idealisten abgetan wurde, ist mittlerweile in den Schlagzeilen: Hybride und elektrische Fahrzeuge erobern den Markt. Die weltweite Nachfrage nach hybrid-elektrischen Fahrzeugen (HEVs) soll Prognosen zufolge rasch steigen. Es wird erwartet, dass im Jahr 2013 mehr als fünf Millionen derartige Fahrzeuge verkauft werden, was rund 6 % des weltweiten PKW-Absatzes entspricht. Andererseits bedeutet das aber, dass 94 % aller PKWs noch mit „klassischen“ Verbrennungsmotoren ausgestattet sein werden. Und sogar hybride Autos fahren die meiste Zeit mit (kleineren) Benzinmotoren. Dies rechtfertigt die immensen Anstrengungen, um die Kraftstoffeffizienz der Motoren, einschließlich ihrer Nebenaggregate zur Kühlung und Kraftstoffversorgung, weiter zu verbessern.

Stetige Weiterentwicklung von Dieselund Benzinmotoren

Die Einführung der Hochdruck-Direkteinspritzung mittels einer „Common Rail“ für die Kraftstoffverteilung bei mehr als 1000 bar stellte einen wichtigen Meilenstein in der Evolution der Dieselmotoren dar. Die Motoren erreichten dadurch eine höhere Leistung bei weniger Abgasen und einem niedrigeren Lärmpegel. Mittels Magnetspulen- Einspritzdüsen sind drei bis fünf Einspritzungen pro Zyklus möglich, was zu einer kontrollierten Druckverteilung im Zylinder beiträgt und einen runderen Motorlauf gewährleistet. In Bild 1 ist eine vereinfachte Leistungsstufe für die Magnetspulen eines Common-Rail-Direct-Injection- Systems (CRDI) mit zwei Gruppen von Einspritzdüsen dargestellt. Während der Einspritzdüsenstrom auf der Hochspannungsseite mit den Schaltern QH1A bis QH2B geregelt wird, werden die einzelnen Zylinder durch die masseseitigen Schalter QL1 bis QL6 angesteuert. Die schnelle Öffnung der Einspritzdüsen wird durch die erhöhte Spannung VS2 erzwungen. Nachdem die selektierte Einspritzdüse mit QH1A/2A aktiviert ist, übernehmen QH1B/2B das Schalten des Stroms auf den Batteriepegel VS1. Dieser ist gerade noch hoch genug, um die angesteuerte Einspritzdüse offen zu halten. Der Einsatz von zwei „Bänken“ unabhängiger Leistungsstufen  erlaubt eine höhere Flexibilität im Hinblick auf eine unabhängige Einspritz-Zeitsteuerung zwischen den Zylindern, um eine höhere Leistung zu erreichen. In Kompakt- und Mittelklassefahrzeugen lassen sich hingegen auch Systeme mit nur einer „Bank“ verwenden.

Die Evolution geht allerdings weiter. Im Falle, dass zur Ansteuerung der Einspritzdüsen anstelle von Magnetspulen die Piezo-Technologie zum Einsatz kommt, bietet dies einige entscheidende Vorteile: Piezo-Einspritzdüsen sind viel schneller, wodurch sich kürzere Totzeiten ergeben und zudem eine genauere Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge möglich ist. Die schnelle Reaktion erlaubt auch mehr Einspritzungen pro Zyklus (bis zu 15 und mehr). Folglich lassen sich die raschen Druckänderungen im Zylinder reduzieren und das typische Dieselgeräusch nahezu vermeiden. Zu Beginn der Serienfertigung von Piezo-Einspritzdüsen gab es noch Probleme hinsichtlich der Alterung und Zuverlässigkeit der eingesetzten Keramikbauteile.

Diese ließen sich mittlerweile durch Materialoptimierung beseitigen, so dass Piezo-Einspritzdüsen heute ausgereift sind. Bild 2 zeigt die vereinfachte Architektur eines Piezo-Direkteinspritzmoduls. In diesem Fall handelt es sich um eine semiresonante Architektur, bei der die Kapazität der Einspritzdüse und die in Serie geschaltete Spule einen Schwingkreis bilden. Diese Architektur wird bereits seit vielen Jahren in großen Stückzahlen produziert. Viele der heute angebotenen Systeme nutzen die CRDI-Architektur auch für Piezo-Einspritzdüsen. Dieser Aufbau benötigt zwar mehr Komponenten, lässt sich aber einfacher regeln und erfordert eine weniger komplexe Software. Im Hinblick auf die Komponenten ist der größte Unterschied zwischen Magnetspulen- und Piezo-Direkteinspritzsystemen die deutlich höhere Betriebsspannung. Während Magnetspulensysteme mit einer hochgesetzten Spannung (VS2) von bis zu 120 V arbeiten, benötigen Piezo-Systeme eine Spannung von 250 bis 350 V. Hinsichtlich ihrer Architektur sind Benzin- und Dieselmotor-Steuergeräte (ECUs) sehr ähnlich.

Denn auch bei Benzinmotoren ersetzt eine direkte Hochdruck-Einspritzung immer mehr das gängige Saugrohr-Einspritzsystem. Der größte Unterschied zwischen den ECUs für beide Motorengattungen sind die benötigte Ausgangsleistung der Einspritzdüsen-Treiberstufe und die Betriebs-Software. Die sehr genaue Steuerung der eingespritzten Kraftstoffmenge bei einer Piezo-Direkteinspritzung erlaubt eine definierte Schichtung der Kraftstoff-Luft-Mischung im Zylinder. Das Ergebnis ist eine sehr magere Verbrennung mit deutlich reduziertem Kraftstoffverbrauch. Andererseits ist es ziemlich schwierig, ein sehr mageres Kraftstoff- Luft-Gemisch zu zünden. Zudem besteht das Risiko, dass eine unvollständige, nicht homogene Verbrennung erfolgt. Um sich dieser Herausforderung zu stellen, ist eine Zündung mit mehreren Funken besonders bei niedrigen Drehzahlen oder kaltem Motor notwendig. Für diese Herausforderungen hat Fairchild Semiconductor die Zünd- IGBT-Familie EcoSPARK entwickelt und hinsichtlich einer maximalen Klemm-Energie pro Halbleiterfläche bei niedriger Sättigungsspannung (UCESAT) optimiert.

Leistungsschnittstellen – Vorsicht vor Einschwingvorgängen

Der Wert eines MOSFET oder IGBT steht und fällt mit der richtigen Schnittstelle zwischen dem Steuerkreis und dem Schalter. Aus diesem Grund hat Fairchild die High-Sideund Halbbrücken-Treiber der Familie FAN708x für Direkt-Einspritzanwendungen entwickelt, die im HDG4-Prozess, einem dedizierten Hochspannungsprozess mit selbstisolierender Struktur aufgebaut werden. Durch ein proprietäres und zum Patent angemeldetes Störunterdrückungs-Verfahren sind diese Treiber gegenüber Störungen weniger empfindlich – so erlauben sie negative Spannungsspitzen von mehr als –10 V. Zudem zeichnen sie sich durch einen niedrigen Ruhestrom für die High-Side-Treiberstufe aus.

Dank ihrer nahezu temperaturunabhängigen Verzögerungszeiten und Schwellwerte lassen sich Schwankungen beim Tastverhältnis der Anwendung und damit Schwankungen bei der eingespritzten Kraftstoffmenge vermeiden. Um Schaltüberschneidungen der Leistungsstufen zu vermeiden („Shoot- Through“), beinhaltet der FAN7080 eine programmierbare Totzeitfunktion. Das Shoot- Through reduziert nicht nur den Wirkungsgrad und ist ein potentielles Risiko für die Leistungsschalter, sondern muss auch aus EMI-Gründen vermieden werden. Allerdings steuert die Totzeit nur das Schalten der Leistungsstufe in Richtung des Durchlassstroms.

Daher muss auch der Sperrstrom durch die Body-Dioden des MOSFET Berücksichtigung finden. Besondere Sorgfalt sollte daher dem Leiterplattenentwurf gelten. Die Erfahrungen zeigen, dass in vielen Fällen, wenn Kunden eine unbefriedigende Zuverlässigkeit der Leistungsstufe und nicht erklärbare Treiberausfälle beanstanden, ein unsauberer Leiterplattenentwurf die Ursache ist. Ein Beispiel für eine H-Brückenschaltung ist in Bild 3 dargestellt, die eine induktive Last treibt. Der Laststrom steigt so lange, wie Q2 und Q3 eingeschaltet sind. Der Strom vermindert sich, wenn Q1 und Q4 eingeschaltet werden. Die Induktivität erzwingt dabei die Richtung des Stromflusses.

Während der Totzeit fließt der Strom (IAUS) von Masse durch die Body- Dioden (von Q1 und Q4) in die Stromversorgung. In dem Augenblick, in dem Q2 und Q3 nach der Totzeit nochmals einschalten, fließt eine hohe Stromspitze durch die Body-Diode von Q1 und den Kanal von Q3. Dieser Reverse- Recovery-Strom bedeutet eine hohe Beanspruchung für Q3, weil die Reverse-Recovery-Spitze bei einem Potential nahe UBias absorbiert werden muss. Angenommen Q3 kann diesen Einschwingvorgang tolerieren, dann gibt es noch ein weiteres Risiko: Wenn der Sperrverzugsstrom zusammenbricht, sackt Knotenpunkt A auf Massepotential ab, wobei es auf Grund von Parasitäreffekten in der Schaltung zu Einschwingvorgängen kommen kann. Solche Einschwingvorgänge können die Ausgangsstufe des Treibers zerstören, wenn die absoluten maximalen Nennwerte des Bauteils überschritten werden.

Durch einen sorgfältigen Entwurf mit Masseflächen geringer Impedanz, getrennten Leiterbahnen für Treiber und Leistungsmasse sowie zusätzlichen Widerständen in der Gate-Rückleitung lässt sich dieses Problem normalerweise lösen. Bei guten Designs ist der Gate-Treiber sehr nahe bei den Leistungsschaltern platziert, wobei die Gate-Leitungen kürzer als 2,5 cm sein sollten. Unter Nutzung separater Baugruppen für die Leistungsstufe und den Steuerkreis sollten die Gate-Leitungen niemals über Steckverbinder laufen. In Extremfällen kann eine zusätzliche Überspannungsschutzschaltung erforderlich sein, um eine Bauteilüberlastung zu verhindern.

Autor:

Dr.-Ing. Hans-Peter Hönes
ist als Senior Manager Product Line Applications Automotive bei Fairchild Semiconductor tätig. Nach Erhalt eines Ingenieur-Diploms in Elektrotechnik von der Universität Stuttgart hat er einige Jahre in der Forschung verbracht. Die Analyse von elektrochemischen Energiespeichern in photovoltaischen Inselsystemen mittels Sensoren und systemtechnischer Methoden war Hauptthema seiner Promotion. Seine Karriere in der Halbleiterindustrie begann er 1994, als er bei Harris Semiconductor die Funktion eines Applikations-Ingenieurs für Automotive übernahm. Nach seinem Wechsel zu Fairchild Anfang 2001 hatte er verschiedene technische Funktionen mit zunehmender Verantwortung inne und hat Anfang 2008 die Rolle als „Senior Manager Product Line Applications Automotive“ mit weltweiter Verantwortung übernommen.

Hans-Peter.Hoenes@fairchildsemi.com