Wolfspeed SiC Elektromobilität

Mit Siliziumcarbid-Modulen (SiC) – wie etwa Wolfspeed sie anbietet – lässt sich die Effizienz bei der Leistungswandlung und damit die Reichweite von Elektrofahrzeugen erhöhen. (Bild: Wolfspeed)

Mit dem Einsatz von Doppelantrieben und einer 800-V-Technik zur Verringerung der Verluste, benötigt die Industrie Wechselrichter, die die Ausgangsleistung bei geringerer Größe erhöhen und eine Leistungsdichte liefern, die weit über die Möglichkeiten von Silizium (Si)-basierten Technologien wie IGBTs hinausgeht. Die aktuelle Generation von Siliziumkarbid (SiC)-Powermodulen entwickelte Wolfspeed exakt zu diesem Zweck, also um mit geringeren Verlusten, höherer Leistungsdichte und kleinerer Größe alle Anforderungen zu erfüllen.

Ein Systemüberblick über Dual-Wechselrichter

Der Dual-Wechselrichter besteht aus zwei Powermodul-Bänken, die jeweils mit Gate-Treibern ausgestattet sind (Bild 1). Das übergeordnete Ziel des Designs ist die Maximierung der Leistung durch ein Design mit hoher Stromtragfähigkeit und niedriger Induktivität. Bei der Entwicklung mussten die Entwickler des Systems fünf wichtige Punkte berücksichtigen:

  • Die hohe Leistungsdichte, die durch den Einsatz der SiC-Technologie erreicht wird. Obwohl SiC einen Betrieb bei höheren Temperaturen ermöglicht, erfordert die hohe Leistungsdichte den Einsatz von Spitzentechnologien zur Wärmeableitung.
  • Die schnellen Schaltzeiten machen das System anfälliger für das Überschwingen und Nachschwingen, beides verursacht durch Streuinduktivität. Daher muss das System die Streuinduktivität der Sammelschienenstruktur verringern.
  • Aus diesem Grund ist auch eine Kapazität mit niedriger Induktivität und hoher Brummspannung erforderlich, wobei gleichzeitig auf die Größenreduzierung geachtet werden muss.
  • Die Gate-Treiber-Schaltung muss über ausreichende Antriebsstärke verfügen, um die von SiC geforderten und ermöglichten Schaltzeiten aufrechtzuerhalten.
  • Die Gesamtleistungsdichte sollte signifikant hoch sein, um die Anforderungen der Endanwendung zu erfüllen.
Das Blockdschaltbild des Systems zeigt drei Hauptkomponenten: die beiden Wandlermodule mit jeweils einem Gate-Treiber und dem Controller. Die Powermodule, die auf der Kühlplatte (A) und dann im Leistungskern mit Gate-Treibern (B) montiert sind, werden auch außerhalb des Gehäuses des Dual-Wechselrichters (C) gezeigt. Für die Transportierbarkeit sind Griffe und Füße vorhanden. D zeigt den Querschnitt von 204 × 267,5 mm².
Bild 1: Das Blockdschaltbild des Systems zeigt drei Hauptkomponenten: die beiden Wandlermodule mit jeweils einem Gate-Treiber und dem Controller. Die Powermodule, die auf der Kühlplatte (A) und dann im Leistungskern mit Gate-Treibern (B) montiert sind, werden auch außerhalb des Gehäuses des Dual-Wechselrichters (C) gezeigt. Für die Transportierbarkeit sind Griffe und Füße vorhanden. D zeigt den Querschnitt von 204 × 267,5 mm². (Bild: Wolfspeed)

Powermodul-Plattform

Ein Powermodul, das auf der XM3-Voll-SiC-Plattform von Wolfspeed basiert, war aufgrund einer hohen Leistungsdichte die naheliegende Wahl. Gewicht und Volumen sind etwa halb so groß wie das eines 62-mm-Standardmoduls, und der Unterschied zu einem EconoDUAL ist sogar noch deutlicher (Bild 2).

Die XM3-Plattform basiert auf einer überlappenden planaren Struktur, um eine geringe Streuinduktivität zu erzielen. Die Stromschleifen innerhalb des Moduls sind breit und flach ausgeführt und sorgen für eine gleichmäßige Verteilung zwischen den Bauelementen, was zu äquivalenten Impedanzen in einer Schalterposition führt. Die Leistungsklemmen des Moduls sind außerdem vertikal versetzt. Dies ermöglicht die Entwicklung einer Bus-Konfiguration zwischen den DC-Link-Kondensatoren und dem Modul, die sich zum Modul hinauf laminieren lässt. Das Endergebnis ist eine Streuinduktivität der Leistungsschleife von 6,7 nH bei 10 MHz.

Das Modul bietet die Hälfte der Streuinduktivität von Standardmodulen und weniger als die Hälfte des Volumens bei einer Grundfläche von 53 × 80 mm². Die Plattform bietet schaltoptimierte und leitungsoptimierte Lösungen für verschiedene Zielanwendungen, wie beispiels-weise das verwendete Halbbrückenmodul CAB450M12XM3 mit 1200 V und 450 A.

Zu den Merkmalen des Powermoduls gehören ein integrierter Temperatursensor an der Low-Side-Schalterposition, ein integrierter Anschluss für die Spannungsmessung (de-sat) zur einfachen Integra-tion von Treibern und ein hochzuverlässiges Siliziumnitrid (Si3N4)-Leistungssubstrat für verbesserte Lastwechselfestigkeit.

Mehrere Technologien ermöglichen die Leistung des Wechselrichtersystems. Sie erhöhen zudem die Effizienz der Wärmeableitung, verringern die parasitäre Induktivität und reduzieren die Anzahl der Komponenten sowie die Größe des Systems.

Bild 2: Ein XM3-Modul (oben), Größenvergleich (unten links) und eine Seitenansicht, die die nichtplanaren Stromanschlüsse des XM3 zeigt (unten rechts).
Bild 2: Ein XM3-Modul (oben), Größenvergleich (unten links) und eine Seitenansicht, die die nichtplanaren Stromanschlüsse des XM3 zeigt (unten rechts). (Bild: Wolfspeed)

Schwerpunktthema: E-Mobility

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(Bild: Adobe Stock, Hüthig)

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Die richtige Kühlplatte für SiC-Bauteile

SiC-Bauteilen ermöglichen eine hohe Stromdichte, allerdings erfordert dies ein leistungsstarkes thermisches Stackup, um die Wärmeübertragung zu maximieren. Unter den vielen Optionen, die bei Kühlkörpern zur Verfügung stehen, sind gepresste Kupferrohre die gängigste und wirtschaftlichste Wahl für flüssigkeitsgekühlte Kühlplatten. Es gibt zwar dünne (~12,7 mm) Kupferrohr-Kühlplatten, die die Montage von Modulen auf beiden Seiten unterstützen, doch diese haben den Nachteil eines hohen Wärmewiderstands, der auf beiden Seiten unterschiedlich ist, sowie eines hohen Druckabfalls, der zu einer ungleichmäßigen Kühlung auf der Oberfläche und auf beiden Seiten führt. Stattdessen nutzt Wolfspeed auf dem CRD600DA12E-XM3 die Mikroverformungstechnologie (MDT) von Wieland Microcool in der Kühlplatte (Bild 3). Dabei handelt es sich um ein Herstellungsverfahren, welches das Werkstück mechanisch und plastisch verformt, um definierte und wiederholbare Mikrokanäle zu bilden. Ein ausgewogener Kühlmittelstrom mit einer Rate von 4 l/min über jede der sechs Modulpositionen führt zu einem Wärmewiderstand von 0,048 °C/W pro Position oder 0,008 °C/W pro Kühlplatte. Das Kühlsystem wurde mit dem CAB450M12XM3 mit einer Leistungsdissipation von bis zu 750 W pro Schalter getestet.

Bild 3: Die MDT-Technologie von Wieland Microcool, die 20 Rippen/Zoll (FPI) gegenüber den standardmäßigen 12 FPI ermöglicht, senkt den Wärmewiderstand und gewährleistet eine gleichmäßige Kühlung.
Bild 3: Die MDT-Technologie von Wieland Microcool, die 20 Rippen/Zoll (FPI) gegenüber den standardmäßigen 12 FPI ermöglicht, senkt den Wärmewiderstand und gewährleistet eine gleichmäßige Kühlung. (Bild: Wolfspeed)

Stärke des Treibers

Da die SiC-MOSFETs im Wandlermodul eine hohe Leistung erbringen, muss der Treiber über eine angemessene Treiberstärke verfügen, um schnelle Schaltzeiten aufrechtzuerhalten. Hier empfiehlt sich ein Wert von mehr als 10 A, um hohe Flankenraten zu gewährleisten. Der verwendete Gate-Treiber CGD12HBXMP erfüllt diese Anforderungen. Der Zweikanal-Gate-Treiber ist gegen Überstrom und Verpolung geschützt und verfügt über integrierte isolierte 2-W-Stromversorgungen zur Unterstützung der 80-kHz-Schaltfrequenz. Seine benutzerdefinierten Ein- und Ausschalt-Gate-Widerstände ermöglichen eine Optimierung der Schaltverluste.

Da SiC-MOSFETs eine hohe dV/dt-Rate aufweisen, kann eine unzureichende Einstufung der Störfestigkeit bei Gleichtakttransienten (CMTI) ein Latch-Through zwischen der Logik und dem Treiberausgang ermöglichen und zu Hardwarefehlern führen. Der hier verwendete Gate-Treiber bietet einen hohen CMTI-Wert von 100 kV/μs, eine niedrige Isolationskapazität (<5 pF) und Differenzeingänge für eine erhöhte Rauschimmunität.

Außerdem hat der Gate-Treiber die gleiche Grundfläche wie das XM3-Modul, so dass ein Leistungskern mit sechs CAB450M12XM3-Modulen und ihren Treibern auf der Kühlplatte gebildet werden kann. Auf diese Weise entsteht eine kompakte Lösung für die einfache Integration in Dual-Wechselrichter-Designs.

Bild 4: Der kundenspezifische DC-Link-Kondensator (links) und ein maßstabsgetreuer Größenvergleich mit sechs zylindrischen Standardverschlüssen.
Bild 4: Der kundenspezifische DC-Link-Kondensator (links) und ein maßstabsgetreuer Größenvergleich mit sechs zylindrischen Standardverschlüssen. (Bild: Wolfspeed)

Was beim Zwischenkreis-Kondensator zu beachten ist

Zentrales Anliegen des Systems ist die Reduzierung der parasitären Induktivität. Durch die vertikal versetzten Leistungsanschlüsse der XM3-Module lässt sich dieses schon teilweise reduziert, wodurch sich das Design der Sammelschienen vereinfacht und sich die Induktivität des Stromkreises verringert. Diesem Anliegen wird auch durch die Wahl des DC-Link-Kondensators Rechnung getragen (Bild 4). Der Platzbedarf des Kondensators ist eines der größten Hindernisse bei der Erhöhung der Leistungsdichte. Normalerweise würden sechs serienmäßig produzierte zylindrische 100-μF-Kondensatoren zum Einsatz kommen, um den erforderlichen Welligkeitsstrom zu erreichen, was eine Grundfläche von 451 cm² beansprucht und eine separate Sammelschiene erfordert.

Dahingegen nutzt das Design von Wolfspeed einen speziell entwickelten Zwischenkreis-Kondensator (DC-Link-Kondensator, Bild 4) mit einer kompakten Grundfläche von 234 cm². Dieser verfügt über eine integrierte laminierte Bus-Konfiguration, die mit den Leistungsanschlüssen der XM3-Leistungsmodule auf beiden Seiten der Kühlplatte verbunden ist und auf diese Weise die parasitäre Induktivität in der Leistungsschleife reduziert und einen ausgeglichenen Strompfad für beide Modulgruppen gewährleistet. Auch die Anzahl der Komponenten wird durch den Wegfall von separaten Sammelschienen und Hardware reduziert.

Der kundenspezifische Kondensator hat eine Kapazität von 600 μF bei 900 V mit einer Spitzenspannung von 1200 V. Die Streuinduktivität des Kondensators und der integrierten Sammelschiene ist von entscheidender Bedeutung, um Spannungsspitzen bei den hohen di/dt-Raten zu reduzieren, die bei schnell schaltenden SiC-Wechselrichtern üblich sind. Daher validierten die Entwickler von Wolfspeed das Design mit einem Impedanzanalysator, der eine äquivalente Serieninduktivität von 13 nH an den Anschlüssen gemessen hat. Zusammen mit dem Induktivitätslevel von 6,7 nH des XM3-Moduls ergibt sich eine Ge-samtinduktivität der Leistungsschleife von 20 nH, wodurch schnellere Schaltzeiten nutzbar sind.

Bild 5: Die Anordnung der Ausgangssammelschiene bietet Flexibilität für Anwendungen, die höhere Ausgangsströme von einem einzigen Wechselrichter erfordern.
Bild 5: Die Anordnung der Ausgangssammelschiene bietet Flexibilität für Anwendungen, die höhere Ausgangsströme von einem einzigen Wechselrichter erfordern. (Bild: Wolfspeed)

Der Controller

Bei der Auswahl des Prozessors für die Controller-Platine in diesem System mussten folgende Überlegungen angestellt werden:

  • Er sollte genügend „PS“ haben, um alle Eingänge zu erfassen und Steuerungsentscheidungen zu treffen.
  • Er sollte über eine ausreichend hohe ADC-Zahl verfügen, damit alle erforderlichen Systemzustände für eine angemessene Steuerung und Überwachung gemessen werden können.
  • Er sollte über schnelle Hardware-Interrupts verfügen, um auf Fehlerzustände zu reagieren.
  • Er muss standardbasierte Kommunikation unterstützen, die für die korrekte Funktion entscheidend ist.

Daher verwendet die Controller-Platine des Systems einen Dual-Core-Gleitkomma-DSP mit 200 MHz und 32 Bit von Texas Instruments. Der DSP verfügt über genügend ADC-Eingänge zur Messung von Strom, Spannung und Temperatur und bietet Kommunikationsunterstützung, einschließlich isoliertem CAN.

Tabelle 1: Der CRD600DA12E-XM3 erreicht eine Leistungsdichte von 72,5 kW/l, was 3,6× höher ist als bei einem IGBT-Design mit gleichem Nennwert.
Tabelle 1: Der CRD600DA12E-XM3 erreicht eine Leistungsdichte von 72,5 kW/l, was 3,6× höher ist als bei einem IGBT-Design mit gleichem Nennwert. (Bild: Wolfspeed)

Stromsensoren

Der Dual-Wechselrichter verwendet sechs Stromsensoren an den Ausgangsklemmen. Für den Dual-Wechselrichter wählte Wolfspeed den DC-zu-250-kHz-Hall-Effekt-Sensor MLX91208 von Melexis mit einer Ansprechzeit von 3 μs, um ein analoges Hochgeschwindigkeits-Ausgangssignal zu liefern, das proportional zur externen, horizontal angelegten Flussdichte ist.

Darüber hinaus verwendet der MLX91208 einen integrierten Magnetkonzentrator (IMC), der auf dem CMOS-Chip aufgebracht ist, wodurch die Notwendigkeit eines großen ferromagnetischen Kerns entfällt. Der gewählte Sensor benötigt eine laminierte U-förmige magnetische Abschirmung zum Schutz vor externen Feldern und zur Homogenisierung des Feldes. Eine Erdungsschicht in der Leiterplatte blockiert die kapazitive Kopplung von der Sammelschiene zum Sensor. Durch die Verwendung von Differenzialsignalen wird die Auswirkung des von der Schaltung ausgehenden Rauschens erheblich reduziert. Darüber hinaus wird durch die Verwendung einer abgeschirmten, paarweise verdrillten CAT6-Verkabelung zwischen den Sensorplatinen und dem Controller sichergestellt, dass jegliches Rauschen auf beiden Signalen des Differentialpaares als Gleichtakt auftritt.

SiC-Bauteile als Lösung im E-Fahrzeug

Die Schaltenergie bei 10 kHz, 375 A betrug 31 mJ. Bei Gesamtverlusten von 5,53 kW oder 460 W pro Schalter betrugen die Schaltverluste 1,8 kW. Daraus ergibt sich ein Wirkungsgrad von über 99 Prozen für den Wechselrichter bis zu 624 kW.

Das Referenzdesign des dreiphasigen Dual-Wechselrichters erfüllt die fünf oben genannten wichtigen Designüberlegungen und verwendet die Leistungsmodule CAB450M12XM3, um eine Spitzenausgangsleistung von 624 kW und einen Nennstrom von 375 Aeff pro Phase oder 750 Aeff parallel zu erreichen.

In dem Vollmetallgehäuse mit den Abmessungen 204 × 267,5 × 157,5 mm³ (Bild 1) wiegt diese Lösung 9,7 kg und nimmt 8,6 l Volumen ein, um die Leistungsdichte von 72,5 kW/l zu erreichen. Das ist mehr als das Doppelte des früheren 300-kW-SiC-Referenzdesigns und 3,6-mal besser als das, was mit einem IGBT-basierten Wechselrichter gleicher Leistung möglich ist (Tabelle 1). Dies bestätigt die Eingangsthese, dass die in diesem Artikel hier eingesetzten SiC-Komponenten eine Leistungslösung für Elektrofahrzeuge der nächsten Generation schaffen. (prm)

Ole Gerkensmeyer

Director Automotive Sales EMEA bei Wolfspeed

Ty McNutt

Director of Business Development bei Wolfspeed

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