Leistungs-Module für mehr Effizienz im Traktionswechselrichter

Traktionswechselrichter sind das Herzstück von Elektrofahrzeugen und verbinden die Batterien mit den Traktions-/Fahrmotoren. Sie wandeln die DC-Batteriespannung in eine AC-Ansteuerung um, die die Motoren benötigen – in der Regel im Leistungsbereich von 80 bis 150 kW. Die Batteriespannung richtet sich nach der Größe des Batteriestrangs und liegt im Bereich von 400 V_DC. 800 V_DC wird aber immer üblicher, um die beträchtlichen Ströme zu reduzieren und damit Verluste zu mindern.

Obwohl die Kosten in den letzten drei Jahren um 40 Prozent bzw. in den letzten zehn Jahren um 90 Prozent gesunken sind, bleibt die Lithium-Ionen-Batterie nach wie vor der teuerste Posten in einem Elektrofahrzeug. Es wird erwartet, dass sich der Preisverfall bis etwa 2025 fortsetzt und sich die Preise dann stabilisieren. Angesichts der Kosten für diese Komponente ist es unerlässlich, dass jedes Joule gespeicherter Energie so effizient wie möglich genutzt wird, um die Kosten sowie die Größe des Batteriepacks zu reduzieren.

Der elektrische Antriebsstrang liefert ein sehr hohes Drehmoment mit entsprechender Beschleunigung. Das Ansprechverhalten der Kombination aus Wechselrichter und Elektromotor steht in direktem Zusammenhang mit dem „Gefühl“ des Fahrzeugs und damit mit dem Fahrerlebnis und der Zufriedenheit des Fahrers.

Ein Traktionswechselrichter umfasst drei Halbbrücken, die jeweils aus einem Paar MOSFETs oder IGBTs bestehen, die als High-Side- und Low-Side-Schalter bezeichnet werden. Für jede Motorphase gibt es eine Halbbrücke, also insgesamt drei, wobei Gate-Treiber jeden Schaltbaustein steuern (Bild 1).

Die Hauptaufgabe der Schalter besteht darin, die Gleichspannung und den Strom von der High-Voltage-Batterie ein- und auszuschalten, um den Wechselstromantrieb für den/die Motor(en) zu erzeugen, die das Fahrzeug antreiben. Aufgrund der hohen Spannungen, Ströme und Betriebstemperaturen ist dies eine anspruchsvolle Anwendung, da 800-V-Batterien eine Leistung von über 200 kW liefern können.

Traktionswechselrichter, die auf 400-V-Batteriesystemen basieren, benötigen Leistungshalbleiter mit einer UDS-Bewertung im Bereich von 650 bis 750 V, während 800-V-Lösungen die UDS-Anforderung auf 1200 V erhöhen. In einer typischen Anwendung müssen diese Leistungskomponenten auch AC-Spitzenströme von über 600 A für bis zu 30 s und einen maximalen Wechselstrom von 1600 A für etwa 1 ms bewältigen.

Darüber hinaus müssen die Schalttransistoren und Gate-Treiber in der Lage sein, diese großen Lasten zu bewältigen und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad des Traktionswechselrichters aufrechterhalten. IGBTs sind die bevorzugten Bauelemente für Anwendungen mit Traktionswechselrichter, da sie mit hohen Spannungen umgehen können, schnell schalten, einen effizienten Betrieb bieten und die anspruchsvollen Kostenziele der Automobilindustrie erfüllen.

Heutige Fahrzeuge sind unglaublich beengt – zumindest was den Platz für Technik betrifft. Die Leistungsdichte wird damit zu einem wichtigen Aspekt, insbesondere für alle Komponenten des Antriebsstrangs. Die physische Größe (und das Gewicht) müssen minimiert werden, da jegliches Gewicht die Reichweite des Fahrzeugs verringert. Abgesehen von der physischen Größe der Komponenten ist die Effizienz des Designs der wichtigste Faktor für die Baugröße. Je höher der Wirkungsgrad, desto weniger Wärme wird erzeugt und desto kompakter kann der Wechselrichter sein.

Die Schalter (ob IGBT oder MOSFET) haben den größten Einfluss auf die Wärmeverluste. Ein niedriger Durchlasswiderstand (RDS(ON)) reduziert statische Verluste, während eine verbesserte Gate-Ladung (Qg) dynamische oder Schaltverluste reduziert, sodass Systeme schneller schalten können. Ist die Schaltgeschwindigkeit höher, lässt sich die Größe der passiven Bauelemente wie Induktivitäten deutlich reduzieren, was die Leistungsdichte erhöht.

Die maximale Betriebstemperatur der Schalter kann sich ebenfalls auf die Leistungsdichte auswirken, da weniger Kühlung erforderlich ist, sobald die Bauteile bei höheren Temperaturen betrieben werden. Damit verringern sich Größe und Gewicht des Designs zusätzlich.

Modularer Ansatz für mehr Leistungsdichte

Bei vielen Traktionswechselrichtern sind die Hauptkomponenten oft getrennt und einzeln untergebracht. Dies ist zwar ein durchaus zulässiger Ansatz, führt aber nicht unbedingt zu einem kompakten Design mit höchster Leistungsdichte. Ein alternativer Ansatz besteht darin, vorkonfigurierte Module zu verwenden, um die für den Traktionswechselrichter erforderlichen Halbbrücken zu bilden. Eine solche Lösung ist das VE-Trac PIM (Power Integrated Module) von onsemi, das speziell für die Fahrzeugelektrifizierung, einschließlich Wechselrichter, vorgesehen ist.

Die VE-Trac-Dual-Power-Module enthalten ein Paar 1200-V-UFS-IGBTs (Ultra Field Stop) in einer Halbbrückenkonfiguration. Sie basieren auf der robusten und bewährten Trench-UFS-IGBT-Technologie, die eine hohe Stromdichte, einen robusten Kurzschlussschutz und die für 800-V-Batterieanwendungen erforderliche erhöhte Sperrspannung bietet. Die intelligenten IGBTs enthalten integrierte Strom- und Temperatursensoren, die eine schnellere Reaktionszeit für die Schutzfunktionen wie Überstrom (OCP) und Übertemperatur bieten, wodurch eine robustere Lösung bereitsteht.

Die Bauelemente sind als Chip/Die auf einem Al2O3-DBC-Substrat mit 4,2 kV (Basis-)Isolationsfähigkeit montiert – mit Kupfer und Kühlung auf beiden Seiten. Das Fehlen jeglicher Drahtbonds verdoppelt die erwartete Lebensdauer im Vergleich zu ähnlichen Modulen, die Drahtverbindungen enthalten. Zusammen mit den IGBTs ist eine Diode integriert, die den Leistungsverlust reduziert und sanftes Schalten ermöglicht, was den Gesamtwirkungsgrad verbessert.

Durch das Verpacken von Bare-Dies in eine kompakte Grundfläche lassen sich VE-Trac-Dual-Module sehr einfach in ein kompaktes Design integrieren. Effizienter Betrieb, geringe Verluste und beidseitige Kühlung sorgen für ein einfaches Wärmemanagement, während eine kontinuierliche Betriebstemperatur von 175 °C eine höhere Spitzenleistung an die Fahrmotoren ermöglicht.

Normalerweise ist für jede Phase eines Traktionswechselrichters ein einzelnes VE-Trac-Dual-Modul erforderlich. Das mechanische Design eignet sich für den Einsatz in mehrphasigen Anwendungen und bietet eine einfache Skalierbarkeit, einschließlich der Möglichkeit, Module parallel zu schalten, um mehr Leistung für jede einzelne Phase bereitzustellen.

Während IGBT-basierte VE-Trac-Module für die meisten Automotive-Anwendungen ausreichen, ist für anspruchsvolle Anwendungen auch eine erweiterte Version auf Basis von SiC-MOSFETs erhältlich. Diese basiert auf der aktuellsten WBG-Technologie (Wide Band Gap), um weitere Größen- und Effizienzgewinne bei Traktionswechselrichtern zu erzielen.

Die Reichweite von Elektrofahrzeugen zwischen den Ladevorgängen zu erhöhen ist eine der großen technischen Herausforderungen unserer Zeit. Angetrieben von staatlichen Vorgaben und dem Wunsch, die Umwelt zu entlasten, werden sich diese Fahrzeuge in den nächsten Jahren rasch durchsetzen.

Die Akzeptanz beschleunigt sich, wenn Elektrofahrzeuge eine für den Verbraucher akzeptable Reichweite haben. Dies lässt sich am besten durch eine höhere Effizienz erreichen, die nicht nur die Reichweite erhöht, sondern auch die Leistungsdichte und Zuverlässigkeit verbessert.

Halbleiterbasierte Schaltelemente sind entscheidend beim Erreichen dieser hohen Effizienz, und obwohl diskrete Bauelemente eine sehr gute Leistungsfähigkeit bieten, ist die ultimative Lösung ein PIM, das speziell für den Einsatz in Elektrofahrzeugen entwickelt wurde, wie z.B. die VE-Trac-Module von onsemi. Diese IGBT-basierten Designs bieten die erforderliche Effizienz, Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit in einem kompakten Format, das die thermische Auslegung vereinfacht. (na)