Mit Leistungselektronik auf SiC-Basis im Traktionswechselrichter lässt sich die Reichweite von E-Autos erhöhen.

Mit Leistungselektronik auf SiC-Basis im Traktionswechselrichter lässt sich die Reichweite von E-Autos erhöhen. (Bild: AdobeStock_313778169_moonrise)

Fahrzeugverkehr und Halbleitertechnologie stehen derzeit vor zwei grundlegenden Erneuerungen. So sind Unternehmen dabei, Ihre Flotte vom Verbrennungsmotor auf den Antrieb mit elektrischer Energie umzustellen. Gleichzeitig werden die Halbleiter für Elektrofahrzeuge dahingehend weiterentwickelt, dass sie Fahrzeuge mit höherer Energieeffizienz und mehr Reichweite ermöglichen. Regulierungsbehörden schreiben Erstausrüstern der Automobilbranche vor, die CO2-Emissionen ihrer Fahrzeugflotten zu verringern und verhängen bei Nichteinhaltung der Vorgaben empfindliche Strafen. Zugleich findet ein Ausbau der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge an Straßen und auf Parkplätzen statt. Trotz dieser Fortschritte bleibt die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen bei den Verbrauchern nach wie vor verhalten, was aus anhaltenden Bedenken hinsichtlich der begrenzten Reichweite resultiert.

Vorteile bei Reichweite und Baugröße durch SiC

Mit größeren und leistungsstärkeren Batterien lässt sich zwar die Reichweite von Elektrofahrzeugen vergrößern, allerdings zu oft höheren Kosten. Die Batterie eines Elektrofahrzeugs macht mehr als 25 Prozent der gesamten Fahrzeugkosten aus. Erfreulicherweise hat die parallel zu diesem Trend stattfindende Halbleiterentwicklung neue Bauelemente mit großer Bandlücke (Wide Bandgap) hervorgebracht, wie beispielsweise MOSFET-Leistungsschalter aus dem Werkstoff Siliziumkarbid (SiC). Die Vorteile von SiC-Leistungsschaltern in Bezug auf Leistungsdichte und Wirkungsgrad sind bekannt und wirken sich auch auf die Systemkühlung und -abmessungen aus. Der Umstieg auf Siliziumkarbid verspricht dreimal kleinere Wechselrichter bei 800 V/250 kW sowie bei den zugehörigen Zwischenkreis-Folienkondensatoren zusätzliche Einsparungen bei Baugröße und Kosten. Gegenüber klassischen Si-Leistungshalbleitern ermöglichen SiC-Leistungsbauteile eine größere Reichweite und ein kleineres Batteriepack, wodurch die Mehrkosten der SIC-Schalter aufgrund der Vorteile für das Gesamtsystem kompensiert werden.

SiC-Leistungsschalter im Traktionswechselrichter

In Sachen Reichweiten- und Kostenüberlegungen bleibt der Traktionswechselrichter der Schwerpunkt für Weiterentwicklungen, die darauf abzielen, die Effizienz und Reichweite von Elektrofahrzeugen weiter zu erhöhen. Er wandelt die Gleichspannung der Hochvoltbatterie in Wechselspannung um, um den Motor anzutreiben, der wiederum das Fahrzeug antreibt (Bild 1).

Bild 1: Elemente zur Energieumwandlung in Elektrofahrzeugen. Dazu gehören unter anderem Batterie, Motor, Inverter und OBC.
Bild 1: Elemente zur Energieumwandlung in Elektrofahrzeugen. Dazu gehören unter anderem Batterie, Motor, Inverter und OBC. (Bild: Analog Devices)

Als teuerstes und funktionell wichtiges Element des Traktionswechselrichters müssen SiC-Leistungsschalter sehr genau gesteuert werden, um ihr Leistungspotenzial voll auszuschöpfen und die zusätzlichen Schalterkosten zu rechtfertigen. In Bild 2 sind Spannungs- und Stromwellenformen beim Einschalten (links) und Ausschalten (rechts) eines SiC-Schalters dargestellt. In SiC-Umgebungen übersteigt das dU/dt einen Wert von 10 V/ns, das heißt es dauert nicht länger als 80 ns, um eine Gleichspannung von 800 V zu schalten. In ähnlicher Weise lässt sich ein di/dt-Wert von 10 A/ns, also 800 A in 80 ns, beobachten.

Bild 2: Spannungs- und Stromwellenformen beim Einschalten (links) und Ausschalten (rechts) eines SiC-Schalters.
Bild 2: Spannungs- und Stromwellenformen beim Einschalten (links) und Ausschalten (rechts) eines SiC-Schalters. (Bild: Analog Devices)

E-Mobility: Reichweite

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(Bild: Adobe Stock 204728350, Hüthig)

Wie lässt sich die Reichweite eines E-Autos erhöhen? Höherer Wirkungsgrad durch die richtigen Halbleiter, geringeres Gewicht durch Leichtbau und intelligente Fahrweise sorgen für mehr Reichweite. Welche Technologien dahinter stecken, erfahren Sie hier.

Alle Vorteile von SiC-Schaltern würden durch Gleichtakt-Rauschstörungen sowie extrem hohe Spannungsüberschwinger zunichtegemacht, die aufgrund ultraschneller Spannungs- und Stromtransienten (dU/dt und di/dt) in einer schlecht geregelten Leistungsschalterumgebung entstehen können. Im Allgmeínen haben SiC-Schalter als Bauteile mit nur drei Anschlüssen, trotz der zugrundeliegenden anspruchsvollen Technologie, zwar eine einfache Funktion, dennoch ist es wichtig, SiC-Schalter sorgfältig an die jeweiligen Systeme anzuschließen.

Gate-Treiber als Schlüsselelement der Signalkette

Die Signalkette von der Batterie zum Motor ist in Bild 3 dargestellt.

Bild 3: Die Signalkette von der Batterie zum Motor. Dazu gehören z. B. Sensoren, das Powermanagement und die Gate-Treiber.
Bild 3: Die Signalkette von der Batterie zum Motor. Dazu gehören z. B. Sensoren, das Powermanagement und die Gate-Treiber. (Bild: Analog Devices)

Der isolierte Gate-Treiber (Bild 4) übernimmt hierbei die Einstellung des besten Schalt-Zeitpunkts und gewährleistet eine kurze und genaue Verzögerung der Signallaufzeit durch die Isolationsbarriere. Darüber hinaus sorgt er für eine System- und Sicherheitsisolierung, kontrolliert die Überhitzung des Leistungsschalters und erkennt und schützt vor Kurzschlüssen. Zudem erleichtert er die Einbindung der Subblock-Antriebs-/Schaltfunktion in ein ASIL-D-System.

Bild 4: Der isolierte Gate-Treiber schlägt die Brücke zwischen Signalwelt (Steuereinheit) und Leistungswelt (SiC-Schalter).
Bild 4: Der isolierte Gate-Treiber schlägt die Brücke zwischen Signalwelt (Steuereinheit) und Leistungswelt (SiC-Schalter). (Bild: Analog Devices)

Die durch den SiC-Schalter eingebrachten Transienten mit hoher Flankensteilheit können jedoch die Daten bei der Übertragung über die Isolationsbarriere stören. Daher ist es wichtig, die Anfälligkeit gegenüber Transienten zu messen. Die proprietäre iCoupler-Technologie (Bild 5) von ADI hat eine Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI) mit gemessenen Leistungsdaten von bis zu 200 V/ns und mehr gezeigt. Die Technologie besteht aus einem Transformator mit starker Polyimid-Isolierung. Digitalisolatoren basieren auf Foundry-CMOS-Prozessen.

Bild 5: Die iCoupler-Digitalisolator-ICs sind differenziell und bieten eine Immunität gegenüber Gleichtakt-Transienten.
Bild 5: Die iCoupler-Digitalisolator-ICs sind differenziell und bieten eine Immunität gegenüber Gleichtakt-Transienten. (Bild: Analog Devices)

Schwerpunktthema: E-Mobility

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(Bild: Adobe Stock, Hüthig)

In diesem Themenschwerpunkt „E-Mobility“ dreht sich alles um die Technologien in Elektrofahrzeugen, Hybriden und Ladesäulen: Von Halbleitern über Leistungselektronik bis E-Achse, von Batterie über Sicherheit bis Materialien und Leichtbau sowie Test und Infrastruktur. Hier erfahren Sie mehr.

Leistungsstarke Gate-Treiber haben ihren Nutzen in Praxistests mit SiC-MOSFET-Leistungsschaltern von Anbietern wie Wolfspeed gezeigt. Bei Kurzschluss- und Gesamtfehlerbeseitigungszeit ist ein Wert von bis zu 300 ns beziehungsweise 800 ns erreichbar. Für zusätzliche Sicherheit und Schutz sorgen die einstellbaren Soft-Shutdown-Funktionen.

Effizienzsteigerung durch Einstellbare Flankensteilheit

Schaltenergie und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) lassen sich ebenfalls anpassen, um die Leistungsdaten zu verbessern und die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen. Eine höhere Antriebsleistung ermöglicht schnellere Flankenraten und verringert somit die Schaltverluste. Dies verbessert nicht nur die Effizienz, sondern ermöglicht zudem Platz- und Kosteneinsparungen bei der Leiterplatte, da für die Gate-Treiber keine externen Puffer mehr erforderlich sind. Andererseits muss das System unter bestimmten Bedingungen möglicherweise langsamer schalten, um einen guten Wirkungsgrad zu erreichen, oder sogar in Stufen, was Studien zufolge die Effizienz weiter steigern kann. Um dies zu ermöglichen, bietet Analog Devices Bauteile mit einstellbarer Flankensteilheit.

Optimierungsmöglichkeiten bei ganzheitliche Betrachtung

Es ist wichtig zu beachten, dass Nutzen und Leistungsfähigkeit (combined value and performance) der Gate-Treiber- und SiC-Schalter-Lösung durch Kompromisse und Ineffizienzen bei den umgebenden Bauteilen vollständig zunichte gemacht werden können. Eine ganzheitliche Betrachtung des Elektrofahrzeugs zeigt zusätzliche Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistungseffizienz des Antriebsstrangs, welche für die Nutzung der maximalen Batteriekapazität bei gleichzeitiger Gewährleistung eines sicheren und zuverlässigen Betriebs entscheidend ist. Die Qualität des Batteriemanagementsystems (BMS) wirkt sich direkt auf die Reichweite des Elektrofahrzeugs aus, optimiert die Gesamtlebensdauer der Batterie und senkt somit die Gesamtbetriebskosten (TCO). Leistungseffizienz, thermisches Verhalten und Packaging bleiben nach wie vor entscheidende Faktoren für die Stromversorgungsebene, unabhängig davon, ob es sich um eine Stromversorgungsschaltung mit isolierten Gate-Treibern oder um eine DC/DC-Schaltung handelt, die hohe in niedrige Spannungen wandelt.

Neutralisierung elektronmagnetischer Störung

Hinsichtlich Powermanagement ist es von Bedeutung, komplexe elektromagnetische Störungen (EMI) zu bewältigen, ohne dazu die Bauteilekosten oder den Platzbedarf auf der Leiterplatte zu erhöhen. Die Fähigkeit, EMI-Probleme zu neutralisieren, wird für Entwickler von Elektrofahrzeugen immer wichtiger. Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erweist sich beim Schalten von mehreren Stromversorgungen als problematischer Punkt. Durch ein gutes EMV-Verhalten lassen sich Testzyklen verkürzen, die Entwicklung vereinfachen und somit Produkte schneller auf den Markt bringen.

Neuentwicklungen im Bereich Sensorik

Auch bei den unterstützenden Bauteilen gibt es neue Entwicklungen. So werden Weiterentwicklungen bei Magnetsensoren eine neue Generation von berührungslosen Stromsensoren hervorbringen, die ohne Leistungsverluste eine hohe Bandbreite und Genauigkeit bieten. Außerdem wurden präzise und robuste Positionssensoren für Konfigurationen am Ende der Welle (End-of-Shaft) und außerhalb der Welle (Off-Shaft) entwickelt. Eine hohe Messgenauigkeit und Robustheit im Umfeld von Magnetfeldern sind entscheidend, um in Elektrofahrzeugen den Wirkungsgrad von Leistungssubsystemen messen und beibehalten zu können. Für ein typisches Plug-in-Hybrid-Fahrzeug sind 15 bis 30 Stromsensoren vorgesehen, während Rotations- und Positionssensoren die Funktionen des Motors überwachen.

Maximierung der Gesamteffizienz

Bei der ganzheitlichen Betrachtung aller Elemente im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen – von der Batterie über den Antriebsumrichter bis hin zu den unterstützenden Komponenten und darüber hinaus – gibt es zahlreiche Möglichkeiten, die Gesamteffizienz sowie die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen. Die Digitalisolation (Bild 5) ist besonders wichtig, wenn die SiC-Leistungsschalttechnologie in den Traktionswechselrichter von Elektrofahrzeugen einzieht. Auch können Erstausrüster der Automobilbranche einen multidisziplinären Ansatz zur Optimierung von Elektrofahrzeugen nutzen, um sicherzustellen, dass alle verfügbaren Stromüberwachungs- und -steuergeräte für maximale Leistungsfähigkeit und Effizienz eng zusammenarbeiten. So können Erstausrüster der Automobilbranche dazu beitragen, die letzten verbleibenden Hürden für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen – Reichweite und Kosten – zu überwinden und zugleich eine umweltfreundlichere Zukunft für alle gewährleisten. (na)

Timothé Rossigno

Marketing Manager bei Analog Devices

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