Digitales Power-Management im Auto

International Rectifier

Der derzeitige Vorschlag bezüglich einer höheren Kfz-Betriebsspannung läuft auf die Implementierung neuer 48-V-Systeme zusätzlich zu den etablierten 12-V-Systemen hinaus. Mikrohybrid-Fahrzeuge (µHEVs) benötigen diese höhere Spannung, um mit der durch das regenerative Bremssystem wiedergewonnenen Energie umgehen zu können sowie um außerdem die Stromversorgung für den 48-V-Elektromotor sicherzustellen, der zum Antrieb intelligenter µHEVs (i-µHEVs) über kurze Strecken dient. Ein solcher kurzzeitiger Elektroantrieb kann zur Senkung des Schadstoffausstoßes im innerstädtischen Verkehr beitragen und sorgt generell für eine signifikante Verbesserung des Kraftstoffverbrauches. Normalerweise wird die wiedergewonnene Energie in einer 48-V-Lithium-Ionen-Batterie gespeichert, die zur Energieversorgung von Systemen dient, welche direkt mit dem 48-V-Bus verbunden sind. Diese Spannung lässt sich auch auf 12 V herunterwandeln, um einerseits die 12-V-Batterie aufzuladen und andererseits 12-V-Systeme wie das Autoradio, Infotainment-Geräte sowie verschiedene Pumpen und Motoren zu speisen.

Bidirektionaler DC/DC-Wandler

Zu den wichtigsten Anforderungen an diese vorgeschlagene duale 48/12-V-Infrastruktur zählt die Notwendigkeit eines bidirektionalen DC/DC-Wandlers mittlerer/hoher Leistung zur Verwaltung des Energieflusses zwischen der 48-V- und der 12-V-Batterie. Je nach der Zahl der mit dem 12-V-Netzwerk verbundenen Lasten muss dieser Wandler bei der Energieübertragung auf die 12-V-Domäne voraussichtlich mit Leistungen zwischen einigen wenigen hundert Watt bis 1,5 kW oder mehr arbeiten. Umgekehrt könnte im Boost-Modus eine Rückspeisung der Energie von der 12-V-Batterie in das 48-V-Netzwerk erforderlich werden. Dieser Boost-Betrieb kann aus unterschiedlichen Gründen erforderlich sein und eine Energieübertragung beanspruchen, die von nur einigen wenigen hundert Watt bis zu einem Niveau reicht, das mit der Haupt-Abwärtswandlung vergleichbar ist. Deshalb sollte ein geeigneter Wandler, abhängig von den Anforderungen der einzelnen Hersteller, in der Lage sein, Energieflüsse in beiden Richtungen bei einem Leistungspegel von ungefähr 300 W bis zu 3 oder gar 5 kW zu verarbeiten.

Beim einphasigen DC/DC-Wandler macht der Hochstromausgang möglicherweise die Parallelschaltung von mehreren MOSFETs für jeden Schalter erforderlich.International Rectifier

Angenommen, der Wandler soll maximal 2 kW verarbeiten, dann läuft das auf einen ausgangsseitigen Strom von ungefähr 160 A hinaus. Es könnte dann eine herkömmliche Einphasenwandler-Topologie Verwendung finden, wie sie in Bild 1 dargestellt ist. Das könnte zwar den Vorteil einer verhältnismäßig einfachen Steuerstruktur liefern, weist indessen auch einige wesentliche Nachteile auf. Erstens wird eine große Anzahl von Leistungstransistoren (MOSFETs) parallelgeschaltet, was einen engen Abgleich der MOSFET-Schaltleistung voraussetzt und komplizierte Anforderungen an den Gate-Treiber des MOSFET stellt. Darüber hinaus ist die Schaltfrequenz im Allgemeinen auf ungefähr 100 kHz bis 200 kHz begrenzt, um übermäßige Schaltverluste zu vermeiden. Das wiederum macht relativ große Eingangs- und Ausgangskondensatoren notwendig.

Andererseits lassen sich diese Probleme durch den Einsatz einer Mehrphasenwandler-Topologie vermeiden, und gleichzeitig ergibt sich dadurch eine Reihe zusätzlicher Vorteile. Im Mehrphasenwandler werden individuelle Phasen, bestehend aus einem Paar MOSFET-Schalter und einem Spulenfilter, an einen gemeinsamen Ausgangskondensator angeschlossen (Bild 2). In diesem Fall wird die Ausgangsstrombelastbarkeit durch das Hinzufügen weiterer Phasen erhöht, statt MOSFETs parallel zu schalten.

Mehrphasenlösung für einen DC/DC-Wandler.International Rectifier

Mehrphasenwandler bietet Vorteile

Dadurch, dass eine große Anzahl parallel geschalteter MOSFETs entfällt, benötigt diese alternative und intelligente Mehrphasentopologie keinen engen Abgleich der MOSFET-Schaltcharakteristik. Es wird zwar eine höhere Zahl von Gate-Treibern benötigt, diese weisen aber eine wesentlich geringere Stromansteuerungsmöglichkeit auf. Außerdem kann eine höhere Schaltfrequenz zum Einsatz kommen; ein n-Phasen-Wandler kann mit dem n-fachen der Höchstfrequenz eines vergleichbaren Einphasenwandlers geschaltet werden. Damit ist eine Reihe von Vorteilen verbunden, einschließlich einer beträchtlichen Steigerung der Ansteuer-Bandbreite, wodurch ein schnelleres Einschwingverhalten ermöglicht wird. Darüber hinaus sinkt der Ripplestrom durch den Ausgangskondensator beträchtlich, was die Verwendung kleinerer, preisgünstigerer Kondensatoren erlaubt und die Zuverlässigkeit verbessern kann.

Als weiteren Vorteil bietet ein Mehrphasenwandler die Flexibilität, eine verringerte Zahl von Phasen zu aktivieren, wenn der Wandler bei niedrigeren Leistungspegeln arbeitet, um auf diese Weise den Wirkungsgrad zu verbessern. Zudem können die Entwickler ihre Designs verhältnismäßig rasch und kostengünstig skalieren, indem sie die Anzahl der verfügbaren Phasen entsprechend den Erfordernissen jeder individuellen Anwendung optimieren.

Mehrphasenwandler eignen sich übrigens gleichermaßen gut für einen bidirektionalen Betrieb wie Einphasenwandler. Genau wie im Fall der einphasigen Lösung lässt sich der 48-V/12-V-Mehrphasen-Abwärtswandler einfach als Aufwärtswandler ansteuern, um eine Umwandlung von 12 V nach 48 V in der Gegenrichtung zu erreichen. Die Änderungen beschränken sich ausschließlich auf die bei den MOSFETs angewandte Ansteuerstrategie.

Controller für Mehrphasenwandler:
vom PC ins Auto

Mehrphasenwandler finden bereits seit einigen Jahren in der PC-Industrie Verwendung. Sie tragen zur Steigerung des Wirkungsgrads bei, senken die Kosten und verringern die Größe des Stromversorgungssystems. International Rectifier hat für diesen Bereich ein Mehrphasen-Digitalregler-IC wie das IR3536 im Angebot, das bis zu sechs individuelle Phasen steuern kann, die jeweils unter Verwendung eines Leistungsstufen-ICs wie dem IR3550 implementiert werden. Der IR3550 enthält ein Gate-Treiber-IC sowie MOSFETs innerhalb eines einzigen Gehäuses, und er benötigt zur Vervollständigung des Designs nur wenige externe Bauelemente, zu denen auch die Ausgangsfilterspule gehört.

Ein digitaler Sechsphasen-Mehrphasenwandler für 180 A Ausgangsstrom beansprucht nur sehr wenig Platz auf dem PC-Motherboards eines PCs. Diese Technologie kommt jetzt für andere Spannungsebenen auch ins Auto.International Rectifier

Das Controller-IC koordiniert Aktionen wie das Hinzufügen und das Abschalten von Phasen entsprechend dem Laststrom, und es ist in der Lage, die Gate-Ansteuerspannung als Reaktion auf die Echtzeit-Stromschwankungen zu optimieren. In PC-Anwendungen haben sich Controller-Features wie IRs adaptiver Transienten-Algorithmus bewährt, der Entwicklern sowohl die Minimierung der ausgangsseitigen Ladekondensatoren und der Systemkosten erlaubt als auch eine eingebaute automatische Phasenerkennungsmöglichkeit mit automatischer Kompensation aufweist. Diese Kombination von Lösungen ermöglicht Wandler von bis zu sechs Phasen, die einen Ausgangsstrom bis maximal 180 A aushalten und bei kleinem Raumbedarf auf einem PC-Motherboard implementiert werden können (Bild 3). Eine Anpassung der Technologie an Kraftfahrzeug-Applikationen könnte zu wertvollen Platzeinsparungen in Automobilen jeder Art führen.

Ein entscheidender Vorteil der Mehrphasen-Entwicklungsmethode von IR gegenüber den konkurrierenden digitalen Stromversorgungslösungen auf DSP- oder Mikroprozessor-Basis liegt darin, dass es sich bei dem steuernden IC um eine Zustandsmaschine (State Machine) handelt, die  einen vorkonfigurierten Algorithmus ausführt. Deshalb wird keine Software benötigt, und im Betrieb kann keine Stillstandssituation auftreten. Bei der Entwicklung ähnlicher Wandler für den Einsatz im Kraftfahrzeug muss keinerlei Software gemäß zutreffenden Automotive-Standards zertifiziert werden, so dass sich die Herausforderungen in Grenzen halten.

Mehrphasen-Controller für Automotive

IR arbeitet derzeit mit Herstellern von Automotive-Systemen gemeinsam an der Entwicklung von Mehrphasenlösungen, die mit den Einschränkungen der Umgebungsbedingungen, mit den Spannungen und Leistungspegeln im Kraftfahrzeug kompatibel sind. Es gibt mehrere offenkundige Unterschiede zwischen den Anwendungen im PC und im Auto. So benötigt der Automotive-Wandler eine höhere Eingangsspannung von 48 V anstelle von 12 V. Auch die Ausgangsspannung von 12 V ist höher als die 1 V, wie sie für moderne Mehrkern-Prozessoren erforderlich sind. Außerdem ist die Schaltfrequenz pro Phase potenziell niedriger: sie liegt im Auto bei ungefähr 100 bis 200 kHz, im PC bei 400 bis 800 kHz. Darüber hinaus liegt, wie bereits oben besprochen, eine wesentliche Forderung von Kraftfahrzeuganwendungen in der Notwendigkeit eines bidirektionalen Stromflusses von der 48-V- zur 12-V-Domäne (Abwärts- oder Buck-Betrieb) und von 12 V zu 48 V (Aufwärts- oder Boost-Betrieb).

Vereinfachtes Funktions-Blockschaltbild eines automotive-tauglichen Mehrphasen-Controllers.International Rectifier

Andererseits wiegen einige Einschränkungen im automobilen Zusammenhang weniger schwer. Während ein für PCs gedachter Wandler die Ausgangsspannung mit einer Präzision von einigen wenigen Millivolt regeln muss, reicht in einer Kraftfahrzeuganwendung eine Genauigkeit von ungefähr 50 mV aus. Zudem sind die Lastspitzen im Auto weniger steil, weil sie durch die Auswirkungen der Verkabelung entschärft werden. Das erlaubt es, den Wandler für einen maximalen Stromanstieg von ungefähr 100 A/ms oder weniger zu entwickeln.

Angesichts dieser sowie weiterer technischer Beobachtungen und der Ansichten von Automobilkunden, die zur Definition unumgänglicher Wandlerfähigkeiten und wünschenswerter Features beitragen, hat IR seine erste Generation von digitalen Mehrphasen-Controllern und Leistungsstufen-ICs für das Automobil entwickelt. Bild 4 zeigt ein vereinfachtes Funktions-Blockschaltbild des AU-ControlliR-ICs.

Schlussbetrachtung

Während die Durchdringung des Massenmarkts durch Plug-in-Elektrofahrzeuge noch für eine geraume Zeit eine Zukunftsvision bleiben wird, sind Mikro-Hybride bereits heute im Einsatz. Diese Fahrzeuge steigern die Nachfrage nach elektrischen Systemen, die wesentlich mehr Leistung verarbeiten können als dies mit dem bisherigen 12-V-Standard möglich ist. Die Notwendigkeit eines effizienten Leistungswandlers, der in der Lage ist, die 12-V-Infrastruktur mit neuen 48-V-Systemen zu verbinden, ist Triebfeder für das Aufkommen einer neuen Klasse von Mehrphasen-Buck-/Boost-Wandlern, die auf in der PC-Industrie gemachten Erfahrungen aufbauen und die für die elektrischen Umgebungsbedingungen im Automobil optimiert sind.

(av)