Halbleiter für das 48-V-Bordnetz

Bild 1: Anwendungen für das 48-V-Bordnetz. International Rectifier

Die Notwendigkeit, den Batteriespannungspegel in Kraftfahrzeugen anzuheben, tritt nach den ersten Versuchen vor einigen Jahren jetzt mit neuer Stärke auf den Plan. In den späten 1990er Jahren schlugen einige europäische Kfz-Hersteller das elektrische 42-V-System als Standard für die elektrische Energieversorgung mit der Absicht vor, leistungsfähigere elektrisch betriebene Zubehörlösungen und leichtgewichtigere Automobilverdrahtungen zu ermöglichen. Zu jener Zeit begann man, Elektromotoren für Funktionen vorzusehen, die zuvor ausschließlich hydraulisch betätigt wurden, zum Beispiel die Servolenkung, Kompressoren von Klimaanlagen, Ölpumpen und anderes.

Bild 2: Blockschaltbild eines aus zwei Chips bestehenden galvanisch getrennten Treibers.International Rectifier

Sie sollten für kompaktere Installationen sorgen, das Gewicht von Antriebsriemen oder großen Verdrahtungen vermeiden und es erlauben, diese Einheiten an einer beliebigen Stelle zu montieren: irgendwo weg vom beengten überhitzten Motorraum. Der vorgeschlagene neue Standard bedeutete mehr als die dreifache Spannung gegenüber den vorhandenen 12-Volt-Systemen. Dabei wurde die höhere Spannung so gewählt, dass sie unter der 60-Volt-Grenze, dem Richtwert für elektrische Stromschläge, blieb.

Die Start-Stopp-, die Micro-HEV- und die Micro-iHEV-Ära

Das Ansteigen der Kraftstoff-Kosten im letzten Jahrzehnt sowie die Umweltforderungen zur Senkung des Schadstoffausstoßes der Fahrzeuge waren in den vergangenen Jahren die Triebfeder für den Einsatz des Start-Stopp-Systems in allen neuen Kraftwagen sowie für die Markteinführung der ersten Hybridfahrzeug-Serien.  All diese Lösungen bekräftigen die Notwendigkeit einer höheren Spannung im gesamten Auto, um den Leitungsquerschnitt sowie die Verlustleistung zu reduzieren und gleichzeitig den Gesamtsystemwirkungsgrad aller fahrzeugseitigen Motoren oder Wandler zu erhöhen.

Bild 3: Chipfoto eines sperrschicht-isolierten 200-V-Treibers für den Einsatz im 48-V-Bordnetz.International Rectifier

Die Markteinführung des integrierten Starter/Generators brachte darüber hinaus die neue Flexibilität mit sich, eine einzige Einheit für beide Funktionen einzusetzen. Jedoch trägt auch die erhöhte Leistung des Verbrennungsmotors in Verbindung mit der Notwendigkeit mehrerer Start/Stopp-Zyklen über den Tag hinweg (von einigen wenigen Ereignissen/Tag bis zu 10 bis 30 Start-Stopps/Tag) zu der Forderung bei, die Batteriespannung für alle elektrischen Geräte hoher Leistung in heutigen und zukünftigen Fahrzeugen zu erhöhen.

Die nächste Verwendungsmöglichkeit nach der Start/Stopp-Funktion ist das Hybrid-Elektrofahrzeug. Es gibt heutzutage eine Vielzahl von HEV-Typen, und auch das Ausmaß, zu dem sie als EV aktiv sind, schwankt von Fall zu Fall.

Die Idee eines 48-V-Versorgungsnetzes tritt gleichzeitig mit der Einführung des Begriffs „Mikro-Hybridfahrzeug“ (Micro-HEV) auf. Hinter diesen Fahrzeugen steht der Gedanke, dass eine 48-V-Lithium-Ionen-Batterie zur Speicherung derjenigen Energie dient, die durch regeneratives Bremsen erzeugt wird. Dabei wird die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie zur Batterieaufladung umgewandelt. Letztlich soll sie indes auch zur Versorgung aller Geräte auf derselben 48-V-Leitung oder nach einer Spannungswandlung auch von 12-V-Geräten dazu dienen, im Endeffekt den Wirkungsgrad des Fahrzeugs und die Kraftstoffreichweite zu steigern.

Bild 4b: Rechts ein Highside/Lowside-Treiber.International Rectifier

Bild 4a: Links ein Halbbrückentreiber. International Rectifier

Die intelligente jüngste Version dieses µHEV trägt die Bezeichnung µ-iHEV. Der Unterschied liegt in der Tatsache, dass ein 48 V-Elektromotor für kurze Bewegungen des Wagens oder für die Unterstützung bei Reisegeschwindigkeit verwendet wird, während der Verbrennungsmotor  (ICE, Internal Combustion Engine) abgeschaltet ist. Dadurch wird der Kraftstoffverbrauch in überlasteten innerstädtischen Straßen oder auf Autobahnen, bei denen die Verwendung des Elektromotors am effektivsten ist, drastisch reduziert.

Siliziumbedarf

Das stellt schließlich alle Zulieferer vor die neue Herausforderung, sich bereit zu machen, ihre Kunden, nämlich Kraftfahrzeughersteller, mit einem neuen Satz von Geräten und Anlagen zu beliefern, die an einer 48-V-Versorgungsschiene betrieben werden. Die eindeutige Konsequenz ist der sofortige Bedarf an Elektronikbauelementen und Leistungshalbleitern, die je nach Anwendung zum Arbeiten mit mindestens 75 V bis 150 V spezifiziert sind. Bild 1 zeigt die Anwendungen, die zu Anfang für diesen Spannungspegel erhältlich sein könnten.

In diesem Szenario hat sich der seit vielen Jahren im Automotive-Markt tätige Zulieferer International Rectifier mit einer bestens für diesen neuen Spannungspegel geeigneten Technologie positioniert.

Die neue Batteriespannung von 48 V wurde, wie bereits in den späten 90ern, aus Sicherheitsgründen so gewählt, dass sie unter der 60-V-Grenze bleibt. Dieses Spannungsniveau ist ein Zwischenschritt zwischen den beiden Marktsektoren: der niedrigen Spannung (12 V und darunter) und der Hochspannung (200 V und darüber), welche die Entwicklungen des Siliziumbereichs bereits seit vielen Jahren beherrschen.

Galvanische Trennung auf dem Chip

Daher weisen die Hochvoltbausteine, die zur Ansteuerung der heute am Markt vorhandenen Leistungs-FETs oder IGBTs dienen, hauptsächlich eine Isolationsspannung von 600 V oder höher auf, wobei die meisten für den industriellen Markt entwickelt wurden. Zudem haben die Sicherheitsanforderungen in jüngster Zeit eine Entwicklung vorangerieben, bei der die galvanische Trennung in den Treiberstufen integriert ist.

Bild 5: Leistungswerte des DirectFET-Gehäuses.International Rectifier

Allerdings ist für die zuverlässige Signalübertragung im Rahmen der galvanischen Trennung eine Schaltung mit immensem Aufwand erforderlich, der für 48-V-Anwendungen viel zu teuer ist. Eine in der Sperrschicht galvanisch entkoppelnde Lösung, wie sie International Rectifier seit Jahren in seinen HVIC-Treibern einsetzt,  ermöglicht hingegen eine wesentlich kleinere, kostengünstigere, zuverlässigere und elegantere Lösung auf einem einzigen Chip. Diese Technologie hat IR für die drei Betriebsspannungspegel 200 V, 600 V und 1200 V im Portfolio, wobei erstere als Schlüsseltechnologie in allen Neuentwicklungen für die neuen Micro-HEVs und Micro-iHEVs zur Anwendung kommen, weil die 200-V-Technologie bestens für die 48-V-Welt geeignet ist, in der Leistungshalbleiter, die für Nennspannungen von 75 bis 150 V ausgelegt sind, den erforderlichen Sicherheitsspielraum bieten.

Derzeit bietet IR automotive-qualifizierte HVIC-Treiber für viele Topologien an. So enthält das 200-V-Portfolio zum Beispiel sechs gemäß AEC-Q100 qualifizierte Bausteine; weitere sind in der Entwicklung.

Topologie

Die am weitesten verbreitete Topologie ist die Halbbrücke oder die 2-Kanal-Highside/Lowside-Variante. Dabei liegt der einzige Unterschied in der Verfügbarkeit von zwei getrennten Eingängen für Lowside und Highside oder einem einzigen Eingang mit internem Totzeitschutz (Bild 4 rechts und links).

Bild 6: Der Power-Block für das Automobil.International Rectifier

In Kombination mit den besten Leistungs-MOSFETs auf dem Markt sowie mit einen (digitalen oder analogen) Controller lässt sich jeder Motortreiber oder DC/DC-Wandler für das neue 48-V-Bordnetz implementieren; die passenden FETs hierfür hat IR im Programm, beispielsweise DirectFET2 (Bild 5).

Neue 48 V-Entwicklungen

Bei IR befinden sich bereits neue 48-V-Bausteine in der Entwicklung. Durch die Integration von Treiber und Leistungs-MOSFET in einem einzigen kompakten Gehäuse lässt sich ein kleiner Power-Block realisieren, der als Grundbaustein von Motortreibern oder von DC/DC-Topologien dient, wobei sich die Bausteine je nach Anwendung nur in den jeweiligen Features und Schutzbeschaltungen unterscheiden. Bild 6 zeigt die einfache Grundidee bei einem dieser Bausteine.

Bild 7: Ein mehrphasiger DC/DC-Wandler für den Einsatz in micro (i)HEVs, der die Spannung von 48 V auf 12 V umsetzt.International Rectifier

Aus Bild 7 geht hervor, wie diese Power-Blocks effektiv in einen DC/DC-Energiewandler zum Einsatz kommen, der für micro-HEVs und micro-iHEVs gedacht ist und die Spannung von 48 V auf 12 V wandelt: Die Leistung dieser Wandler wird aus heutiger Sicher im Bereich 1 kW bis 4 kW liegen.

Das bedeutet, dass sich die vorgeschlagene Lösung nicht ohne weiteres als ein Einphasenwandler implementieren lässt und höchstwahrscheinlich eine bidirektionale Mehrphasen-Buck-Boost-Topologie aufweisen muss. Eine derartige Lösung kommt seit vielen Jahren im Computerbereich mit Ausgangsströmen im Bereich 100 bis 200 A zum Einsatz und wird jetzt auch von der Automotive-Welt übernommen.

(av)