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Sperrwandler-Schalter-IC

Ein Notschalter für die E-Mobility

23. Juli 2020, 13:01 Uhr | Engelbert Hopf

Eine maximale Ausgangsleistung von 30 W und eine Ausgangsspannung von 12 V liefert der an Eingangsspannungen von 30 bis 550 V DC arbeitende InnoSwitch3 im Einsatzbereich Elektrofahrzeug.

Auf Anwendungen im Bereich der Elektromobilität ist der AEC-Q100-qualifizierte InnoSwitch3 zugeschnitten. Mit ihm lassen sich unter anderem sehr einfach Emergency Power Supplies gemäß ISO 26262 realisieren.

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Was passiert eigentlich, wenn der Antriebsinverter in einem Elektrofahrzeug aus irgendeinem Grund einmal ausfällt? Ist das Elektrofahrzeug dann noch steuerbar? Dass auch unter diesen Umständen ein sicherer Nothalt, etwa auf dem Seitenstreifen, möglich ist, dafür soll der internationale Sicherheitsstandard für Elektroautos, ISO 26262 „Road vehicles – functional safety“, sorgen. Eine sogenannte Emergency Power Supply (EPS), die je nach Konzeption des Fahrzeugs an einem 400- oder 800-V-Bus hängt, soll dies gewährleisten.

Auf diese Applikation zielend, hat Power Integrations vor Kurzem die Serienproduktion für einen AEC-Q100-qualifizierten Sperrwandler-Schalt-IC mit integriertem 750-V-MOSFET und sekundärseitiger Stromerfassung freigegeben, den InnoSwitch3. Klassische Anwendungen in einem Elektroauto für diesen hochintegrierten, „Always on“-Sperrwandler-Schalter-IC wären neben dem Antriebsumrichter beispielweise auch On-Board-Ladegeräte sowie Bordnetz-Gleichspannungswandler.

Aufgrund der proprietären Hochgeschwindigkeits-Kommunikationstechnologie FluxLink von Power Integrations, die ohne zusätzliche Transformatorwicklung und ohne die im Automotive-Bereich nicht erwünschten Optokoppler im Regelkreis auskommt, gewährleistet der Schwerwandler-Schalter-IC eine Regelgenauigkeit von ±3 Prozent über die vollen Eingangsspannungs- und Lastbereiche. Der InnoSwitch3 hält selbst beim Transienten-Stress-Test diese hohe Regelgenauigkeit ein.

Integrierter Bestandteil des IC ist ein 750-V-MOSFET, der die hohen Derating-Anforderungen von Automobilanwendungen erfüllt, und der ebenfalls integrierte On-Chip-Synchrongleichrichter-Controller erreicht bei der Nenneingangsspannung von 400 V DC einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Wie Power Integrations versichert, handelt es sich bei dem 750-V-MOSFET um einen herkömmlichen Silizium-MOSFET. Wird das Fahrzeug mit einem 800-V-Bus betrieben, besteht die Möglichkeit für den optionalen Einsatz eines StackFET.

Optimierte InnoSwitch3-AQ-Designs verbrauchen nach Angaben von Power Integrations im Leerlauf weniger als 10 mW über den gesamten Eingangsspannungsbereich, der von 30 bis 550VDC reicht. Untergebracht in einem InSOP-SMD-Gehäuse mit 11mm Kriechstrecke von Primär nach Sekundär, erfüllen die InnoSwitch3-Bauteile auch die hohen Isolationsanforderungen für Anwendungen in Höhen über 5000m.

Power Integrations stellt mit dem DER840Q ein auf dem neuen IC basierendes Referenzdesign vor, das das Starten, das Herunterfahren und den energieeffizienten Betrieb einer Gesamtlösung bei Eingangsspannungen von 30 bis 550V demonstriert. Außerdem zeigt es die schnelle Reaktion auf Transienten sowie die zahlreichen Sicherheits- und Schutzfunktionen der neuen Bausteine.

Wie Edward Ong, Produktmarketingmanager bei Power Integrations, versichert, stellt das InnoSwitch3-AQ den derzeit höchstintegrierten Sperrwandler-Controller-IC am Markt dar. Er ermöglicht Stromversorgungen für Automobilanwendungen mit der niedrigsten Anzahl von Bauteilen und der geringsten Leiterplattenfläche. Aufgrund seines hohen Wirkungsgrades über einen weiten Lastbereich erfüllt der InnoSwitch3 nach Herstellerangaben problemlos die thermischen Anforderungen der Automobilindustrie. Im InSOP-24D-Gehäuse untergebracht, kostet der IC bei einer Abnahme von 10.000 Stück netto 2,75Dollar.

Den Hinweis, dass die Produktion von Elektroautos derzeit weltweit noch übersichtlich sei, kontern die Verantwortlichen von Power Integrations mit dem Hinweis, dass sich in einem Elektrofahrzeug insgesamt bis zu zehn Steckplätze für einen InnoSwitch3 finden lassen. Darüber hinaus sei die Entwicklung und Produktion von Elektrofahrzeugen in Europa zwar noch mit einem exotischen Flair behaftet, sie verwiesen aber beispielsweise darauf, dass allein Tesla inzwischen in einem Quartal 90.000 Elektrofahrzeuge herstelle und das Thema Elektrofahrzeuge in China bereits ein sehr großes Volumen angenommen habe.

Im Übrigen bleibt der Einsatz des neuen Sperrwandler-Schalt-IC ja nicht auf Personenfahrzeuge beschränkt. Bei Power Integrations sieht man zukünftig auch gute Einsatzmöglichkeiten im Bereich E-Trucks und E-Busse. Im Grunde, so die Verantwortlichen bei Power Integrations, stelle der sich öffnende Markt Elektrofahrzeuge für Sperrwandler-Schalt-ICs ein ähnliches Wachstumspotenzial dar wie ab 2004 der sich entwickelnde LED-Markt.