Die Anforderungen an die Geräuschentwicklung von Komponenten in E-Autos haben sich gegenüber denen in Autos mit konventionellen Verbrennungsmotoren deutlich verschärft. Auch Lithium-Ionen-Batterien als hochdichte Energiequellen müssen über Sensorik überwacht und im Fehlerfall sicher vom Verbrauchersystem des Fahrzeugs abgetrennt werden. Dies soll notfalls auch autonom und vollständig geschehen. Zudem kann eine gezielte und dosierte Steuerung von Leistung aus der Batterie zu zahlreichen Verbrauchern im Fahrzeugsystem die Reichweiten deutlich erhöhen und somit wird eine verbesserte Energieeffizienz erzielt.

Stand der Technik: Relais

Halbleiterbasierter, bidirektionaler Schalter für 48-V-Litium-Ionen-Batterien

Bild 1: Halbleiterbasierter, bidirektionaler Schalter für 48-V-Litium-Ionen-Batterien. AB Mikroelektronik

Elektromechanische Schalter – also Relais – erfüllen die Anforderungen nur eingeschränkt. Durch das mechanische Schalten mit den Kontaktflächen entstehen Geräusche, Schaltvorgänge benötigen einige Millisekunden. Zudem weisen Relais im Allgemeinen nur eine endliche Schaltzyklenzahl auf, da bei jedem Schalten auf den Kontaktflächen geringfügig Material abgetragen wird.

Halbleiterbasierte Lösungen

Halbleiterbasierte Schalter reagieren in solchen Applikationen deutlich schneller und können den Stromfluss zwischen Batterien und Lasten gezielt steuern. AB Mikroelektronik hat einen effizienten, halbleiterbasierten, bidirektionalen Schalter für 48-V-Li-Ionen Batterien entwickelt (Bild 1). Im Vergleich zu konventionellen Blei-Säure-Batterien erzeugen Li-Ionen-Batterien bei gleicher Kapazität auf Grund des geringeren Innenwiderstandes bis zu zehnfach höhere Kurzschlussströme, bei zehnmal geringerer zeitlicher Pulslänge (einige 100 µs). Durch die jahrzehntelange Erfahrung im Bereich der Dickschichttechnologie und von Siebdruckprozessen, hat AB Mikroelektronik eine eigens entwickelte Leiterplatte, bestehend zum Großteil aus einer soliden Aluminiumlegierung, als einen neuen Lösungsansatz für Packaging-Technologien von Halbleitern in der Leistungselektronik angewandt.

Eine geeignete Materialauswahl stellt eine hohe Lebensdauer sicher. Gerade für hohe kurzzeitige Strombelastungen bieten Aluminiumlegierungen auf Grund einer relativ hohen spezifischen Wärmekapazität von 890 J/(g·K) einen entscheidenden Vorteil, um kurzzeitig viel thermische Energie aufzunehmen. Zusätzlich wird mit der vorliegenden Technologie kostenoptimal und effizient Halbleiterfläche für solche und vergleichbare Hochleistungsanwendungen eingesetzt, da das Aluminium durch seine hohe thermische Leitfähigkeit die entstehende Dissipationsleistung schnell abführen kann. Neben den umfangreichen technischen Vorteilen ermöglicht diese Technologie einen geringeren Einsatz von kostentreibenden herkömmlichen Halbleitern in Powermodulen hoher Leistungsklassen.

Aluminium-Leiterplattentechnologie

Aluminium ist das häufigste Metall in der Erdkruste. Im Vergleich zu Kupfer, das auf Grund der hohen elektrischen Leitfähigkeit weitverbreitet in der Leistungselektronik ist, bietet Aluminium einige weitere applikationsspezifische Vorteile. Aluminium als Metall besitzt eine sehr niedrige Dichte von 2,70 g/cm³ (Cu: 8,92 g/cm³ bei 20 °C), gute Festigkeitseigenschaften und eine höhere Biegefähigkeit (E-Modul Al: etwa 70 GPa, Cu: etwa 120 GPa), was das Material gerade in der Metallverarbeitung sehr attraktiv macht. Es ist fast in keiner Industrie mehr wegzudenken, obwohl es erst seit 1825 bekannt ist und anfänglich teurer war als Gold. Die Wertschätzung von Aluminium steht in heutigen industriellen Anwendungen eher im Vergleich zu Kupfer, sein Preis ist jedoch nur etwa ein Viertel so hoch. Zudem bietet Aluminium gute Recyclingeigenschaften, so dass in der Produktionsenergiegesamtbilanz ein Einsparungspotenzial über Sekundärproduktionswege geboten ist.

Bild 2: Bei Aluminiummetall-Dickschichthybriden ist das Kupfer mit Poren durchsetzt. Dies gleich thermische Spannungen sehr effektiv aus.

Bild 2: Bei Aluminiummetall-Dickschichthybriden ist das Kupfer mit Poren durchsetzt. Dies gleich thermische Spannungen sehr effektiv aus. AB Mikroelektronik

Um Aluminium als effizienten Stromträger in der Leistungselektronik zu nutzen ist es notwendig, die inerte natürliche Oxidationsschicht aufzubrechen. AB Mikroelektronik hat ein erprobtes Verfahren zur Herstellung von Schaltungsträgern auf Basis einer Aluminiumlegierung entwickelt. Auf dem gleichen Schaltungsträger lassen sich sowohl isolierte Leiterbahnen als auch direkte Kontaktpads zur Anbindung von Leitungshalbleitern herstellen. Somit ist eine gleichzeitige Integration von Passivbauteilen, Sensoren, ICs und Leistungshalbleitern in SMD möglich. Aufwendige Mischprozesse aus Löt- und Bondprozessen können entfallen und die Produktion wird signifikant vereinfacht.

Dickschichthybride im Siebdruckverfahren

Die Herstellung der Substrate erfolgt über ein Siebdruckverfahren. Die für den Aufbau des Schaltkreises erforderlichen Materialien werden als Paste auf das feste Substrat appliziert und mit einem Stahlsieb gedruckt. Über wiederholende Druck-, Trocken- und Einbrennprozesse lassen sich mehrere Schichten aus isolierenden, leitfähigen und abdeckenden Materialien aufbauen. Durch das additive Verfahren sind die Materialien effizient und kostengünstig einsetzbar. Für die Herstellung eines Aluminiumschaltungsträgers wird eine Kupferpaste in Kombination mit einer dielektrischen Paste knapp unterhalb der Schmelztemperatur von Aluminium bei rund 650 °C eingebrannt.

Im Gegensatz zu Direct Metal Brazed Copper Substrate (DCB) ist in dem vorliegenden Aluminiummetall-Dickschichthybriden das entstehende Kupfer mit Poren durchsetzt (Bild 2). Es hat sich gezeigt, dass gerade über diese Defektstellen thermisch-mechanische Verspannungen, die in der Leistungselektronik immer präsent sind, besser ausgleichbar sind. Im Falle einer dünnen und steifen Kupferfolie (Bulk) mit etwa 300 – 400 µm bei einem DCB-Substrat ist diese Situation nur bedingt gegeben. Typischerweise kommen bei DCB-Substraten vermehrt Silbersinterprozesse zum Verbinden von Halbleitern zum Einsatz, um ähnlich hohe Lebensdauern zu erzielen. Sehr gute Lebensdauereigenschaften lassen sich aber auch bereits mit Standardlötverfahren bei Verwendung des Aluminiumschaltungsträgers mit Kupferbeschichtung erzielen.

Über die Kupferbeschichtung sind verschiedenste Typen von Leistungshalbleitern vollflächig verlötbar. Durch die hohe thermische Leitfähigkeit von Aluminium kann mit vorhandener elektrischer Isolation der Leistungselektronik kurzzeitig eine Leistungsdichte innerhalb des Halbleitermaterials von bis zu 7 W/mm² für 0,5 Sekunden ohne Beschädigung von Bauteilen und innerhalb der SOA (Safe Operating Area) erzielt werden. Gerade für den Anwendungsfall eines halbleiterbasierten Batterieschalters für 48-V-Systeme bietet dies entscheidende Vorteile.

48-V-Batterie-Switch für hohe Schaltströme

Bild 3: Induktivitäten im Gesamtschaltkreis, die vor allem durch Verbindungselemente und lange Leitungen entstehen, beeinflussen das Schaltverhalten von Halbleitern.

Bild 3: Induktivitäten im Gesamtschaltkreis, die vor allem durch Verbindungselemente und lange Leitungen entstehen, beeinflussen das Schaltverhalten von Halbleitern. AB Mikroelektronik

Durch erhöhte E/E Anforderungen und erhöhte Integration von zusätzlichen sicherheitsrelevanten Merkmalen in der elektrischen Versorgungsarchitektur eines Fahrzeugs, kann eine halbleiterbasierte Lösung gegenüber einem mechanischen Relais deutliche Vorteile bieten, zumal eine höhere Schaltgeschwindigkeit möglich ist. Gerade in einem Kurzschlussfall zählt hier jede Sekunde, um ein sicheres Abtrennen der Batterie zu gewährleisten. Der Hauptschalter schützt den Versorgungskreis einer 48-V-Batterie während dem Laden und Entladen bidirektional im Falle einer Überladung oder eines Kurzschlusses.

Gerade für diese beiden Fehlerfälle ist ein „Thermal Runaway“ der Batterie bedingungslos zu verhindern. Im hier vorgestellten bidirektionalen Schalter sind insgesamt acht niederohmige 100-V-Power-MOSFETs integriert, welche einen Gesamtwiderstand des Schalters von typischerweise  0,65 mW bei 25 °C bilden, siehe Bild 1. In der bidirektionalen Variante des Schalters wird der Source-Kontakt von zwei seriell geschalteten MOSFETs, die tatsächlich aus jeweils vier parallel geschalteten diskreten MOSFETs zur Leistungssteigerung bestehen, kurzgeschlossen und der Stromfluss zwischen den beiden Drain-Kontakten der MOSFETs ist so in beiden Richtungen steuerbar. Zusammen mit einem sehr guten thermischen Widerstand des Schalters von nur circa 0,1 K/W, bei einseitiger Kühlung mit 80 °C Kühlmitteltemperatur und mit rückseitiger Isolation mit einer TIM –Folie (Thermal Interface Material), ergeben sich bei einer kontinuierlichen Strombelastung von 300 A eine Leistungsdissipation von 98 W und eine Temperaturerhöhung des Moduls um nur 11 K.

Im transienten Fall können Ströme kurzzeitig von bis zu 1300 A für eine halbe Sekunde pro Schalter unterstützt werden. Das Modul ist 101,6 mm × 60,3 mm × 7,3 mm groß, lässt sich aber je nach Strompulsanforderung auch kompakter gestalten. Zur direkten Kontaktierung über Verschraubung oder über direktem Verschweißen mit Busbars im Stromkreis sind auf jeder Drain-Seite 20 mm × 20 mm Aluminiumanbindungsflächen vorhanden. Um eine höhere mechanische Stabilität, einen guten Feuchteschutz und eine verbesserte Lebensdauer zu gewährleisten, ist das gesamte Modul mit einem Epoxidharz umspritzt.

Optional ist eine doppelseitige Kühlung sowie die erhöhte Integration von elektrischen Funktionen wie Temperatur-, Stromsensoren und Gatetreiber realisierbar. Darüber hinaus ist die Integration von Schutzbeschaltungen im Kurzschlussfall oder eine gezielte Bestückung auf unterschiedliche Leistungsklassen möglich, um kundenspezifische und kosteneffiziente Lösungen bereitzustellen.

Switch für funktionale Sicherheit des Versorgungskreises

Für zukünftige autonome Fahrzeuge müssen redundante Versorgungskreise im Notfall elektrische Energie bereitstellen. Zwischen Notversorgungskreis, Hauptversorgungskreis und eventuell weiteren Bordnetzen für beispielsweise Infotainment befinden sich Haupttrennschalter. Diese steuern die elektrische Energieverteilung und trennen im Bedarfsfall fehlerhafte Bordnetze komplett ab. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, Bordnetzspannungen über DC-DC-Wandler im Versorgungskreis je nach Anforderungen der Verbraucher anzupassen. Verschiedenste Ansätze für die elektrische Versorgungsarchitektur müssen die Anforderung an die funktionale Sicherheit nach der ISO-Norm 26262 erfüllen.

Das Schaltverhalten von Halbleitern ist durch vorhandene Induktivitäten im Gesamtschaltkreis (Bild 3), die vor allem durch Verbindungselemente und langen Leitungen entstehen, beeinflusst und verzögert. Die vorgestellte Lösung bietet hier auf Grund der eingesetzten Aluminiumtechnologie Vorteile, da auf unnötige Hochstromverbindungselemente verzichtet werden kann und zudem das Modul eine sehr niedrige Streuinduktivität von unter 10 nH aufweist. Gerade im Kurzschlussfall können sehr hohe Spannungen auf Grund von Induktivitäten entstehen, die sogar oberhalb der Durchbruchsspannungen der Halbleiter liegen können. Falls Ströme fließen, induzieren diese eine Verstärkung von Elektronenlawinen (Avalanche-Effekt), die die aktive Struktur der Halbleiter schädigen können.

Das Bauelement ist eigentlich im geblockten Zustand, aber auf Grund einer Überschreitung eines kritischen elektrischen Feldes in der p-n-Struktur des Halbleiters können freie Elektron-Loch-Paare entstehen. Dieser Effekt ist bekannt und Halbleiterhersteller spezifizieren hier Maximalwerte für mögliche Avalanche-Energien für Ihre Komponenten. Im Spezialfall der vorliegenden Anwendung einer sicheren elektrischen Versorgung im Fahrzeug, ist es aber ratsam, diesen Effekt durch entsprechende Schutzmaßnahmen durch zusätzliche aktive Komponenten zu vermeiden. Eine Reihe von Gegenmaßnahmen ist denkbar, deren Einsatz vom konkreten Anwendungsfall abhängen.

Allgemein ist eine Beschaltung mit TVS-Dioden (Transient Voltage Suppression) im ersten Schritt möglich. Sie begrenzt die Drain-Source-Spannung und absorbiert im Kurzschlussfall elektrische Energie aus den Halbleitern. Die restliche elektrische Energie muss innerhalb einiger hundert Mikrosekunden im Halbleiter thermisch abgeführt werden. Insbesondere bei vorübergehenden Belastungsspitzen lässt sich diese Eigenschaft durch die Verwendung des effizienten thermischen Wärmespreizers mit Aluminium sicherstellen und die Lebensdauer der Halbleiter und damit des gesamten Moduls erhöhen.

Fazit

Die zunehmende Elektrifizierung erfordert smarte Lösungen im Bereich der Bordnetzarchitektur. Der elektrische Energiebedarf von Verbrauchern lässt sich durch halbleiterbasierte Schalter optimal und schnell je nach Situation bereitstellen. Mit dem hier vorgestellten Batterie-Switch für 48-V Li-Ionen-Batterien wird eine sehr kosteneffiziente Lösung für hohe Stromstärken geboten. Zudem ist das robuste Powermodul so konzipiert, dass kundenspezifische Anpassungen in vielerlei Hinsicht leicht umzusetzen sind. Der Batterie-Switch für 48 V ist klein (etwa 28 cm³), leicht (< 60 Gramm) und kann auf Grund seiner sehr flachen Bauweise und den vorhandenen Aluminiumhochstromleitungen simpel in ein Batteriegehäuse eingebaut werden.