Gesetzliche Regelungen zur Senkung der Kohlendioxidemissionen, wie die von der EU festgesetzten CO2-Emmissions-Ziele pro Fahrzeugflotte von 95 g/km bis 2020, lassen sich selbst mit abgasarmen Verbrennungsmotoren kaum realisieren. Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs bietet jedoch sogar Potenzial für weitergehende Emissionsregelungen. Hierfür ist die Entwicklung platzsparender Wechselrichter und effizienter Leistungsmodule notwendig.
Die Autoren: Martin Gleich, Produkt-Marketing-Manager für Electric Drivetrain, und Stefan Edenharter, Application Engineer für HEV-Anwendungen im Unternehmensbereich Automotive, Infineon Technologies, Neubiberg
Zwei Faktoren bestimmen maßgeblich die Entwicklung von elektrischen Antriebssystemen im xEV-Markt: geringer Platzbedarf und optimales Kosten-Leistungs-Verhältnis. Die Systeme für den elektrischen Antriebsstrang müssen flexibel und wirtschaftlich herzustellen sein. Außerdem müssen sie kompakt sein, da der Platz im Motorraum begrenzt und für Wechselrichter/Generator, Elektromotor, DC/DC-Wandler, Batterieladesystem oder Hilfssysteme zusätzlicher Raum notwendig ist. Mit dem HybridPack Drive bringt Infineon ein IGBT-Leistungsmodul auf den Markt, das eine hohe Leistungsdichte aufweist und kompakte sowie kosteneffektive Hauptwechselrichter-Designs ermöglicht.
Leistungsmodule für xEV-Anwendungen
Das obige Bild zeigt schematisch den Aufbau eines Wechselrichters. Die Kernkomponente ist das IGBT-Leistungs-Modul (IGBT-Stage), das die Gleichspannung der Hochvoltbatterie in eine sinusförmige Spannung für den Elektromotor wandelt. Infineon hat langjährige Erfahrung in der Entwicklung von IGBT-Leistungsmodulen: Keramiksubstrate, Bodenplatten- und Rahmenmaterialien wurden kontinuierlich verbessert und ermöglichten die Entwicklung von thermisch und elektrisch optimierten Leistungsmodulen; verbessert wurden außerdem die Aufbau- und Verbindungstechniken außerhalb und innerhalb der Leistungsmodule, was zu hoher Zuverlässigkeit und mechanischer Robustheit führt. Mit Infineons Leistungsmodulen und breitem Halbleiter-Produktspektrum für Hybrid- und Elektrofahrzeuge – IGBTs, Dioden, Mosfets oder Treiber-ICs – lassen sich sowohl Hilfssysteme mit einigen kW als auch Hauptwechselrichter mit über 140 kW Leistung realisieren.
Im unteren Leistungsbereich bis zu 10 kW ermöglichen die Module Easy kostenoptimierte und kompakte Systemdesigns; beispielsweise beim Kompressor für die Klimaanlage, in der Ölpumpe, in Onboard-Ladegeräten, im HV/NV-DC/DC-Wandler und für Heizkreisläufe fürs Fahrzeug. Easy-Module lassen sich mithilfe der Einpresstechnik PressFit schnell und zuverlässig montieren.
Die Leistungsmodule der Familie HybridPack 1 wurden für xEV-Anwendungen in einem Leistungsbereich von bis zu 60 kW optimiert. Spezifiziert sind sie für eine Sperrschichttemperatur von 150 °C. Sie sind mit sechs Trench-Field-Stop-IGBTs sowie mit passenden Emitter-gesteuerten Dioden ausgestattet und für einen implementierten Chip-Strom von 400 A und für Spannungen bis zu 705 V ausgelegt.
Die Leistungsmodule HybridPack 2 eignen sich für xEV-Anwendungen in einem Leistungsbereich von über 140 kW Ausgangsleistung. Die Nennwerte dieser Six-Pack-Module erreichen maximal 680 V/800 A. Alle Stromanschlüsse sind mit Schraubanschlüssen versehen. Die Signalanschlüsse werden gesteckt oder gelötet.
HybridPack-Drive für kompakte Wechselrichter
Das neue IGBT-Modul HybridPack Drive verfügt über verbesserte Features. Es adressiert die Anforderungen des weltweiten xEV-Marktes und ist die Schlüsselkomponente für den Haupt-Wechselrichter in Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Der erzielbare Leistungsbereich für den Dauerbetrieb umfasst je nach Applikation 50 bis 100 kW und deckt damit einen Großteil der im xEV-Markt typischen Leistungsklassen ab. Das HybridPack Drive ist ein kompaktes Sixpack-Modul (750 V/660 A). Bei 30 % kleineren Abmessungen mit direkter Kühlung erreicht es die gleiche Leistung eines HybridPack 2 mit 600 A Chipstrom. In Kombination mit neuen Chip-Technologien und einer Gehäusetechnik mit geringer Induktivität verringern sich die Leistungsverluste (Durchlass- und Schaltverluste) deutlich, was den Wechselrichter mit einer höheren Effizienz arbeiten lässt und dadurch den Gesamtwirkungsgrad verbessert. Damit wiederum vergrößert sich die Reichweite von Plug-in-Hybriden oder Elektrofahrzeugen.
Niedrige Schaltverluste ergeben sich durch die Kombination aus niedriger Streuinduktivität (< 10 nH) und hoher Sperrspannung (750 V) gepaart mit schnellschaltenden IGBTs, besonders im Maximalbereich der Wechselrichter. Das führt zu einem erhöhten Wirkungsgrad. Die mit stiftförmigen Kühlrippen ausgestattete Kupfer-Bodenplatte verbessert neben der thermischen Lastwechselfähigkeit auch die Zuverlässigkeit.
Neue Chip- und Gehäusetechniken
Das Leistungsmodul HybridPack Drive basiert auf einer innovativen Gehäusetechnik, mit der Hersteller von Wechselrichtern kompakte und konkurrenzfähige Produkte realisieren können. Die geringe Streuinduktivität von rund 10 nH ermöglicht Systeme mit hohem Wirkungsgrad unter Einsatz schnell schaltender Chipsätze. Weil die Verbindungstechnik der Signalanschlüsse eine flexible Pin-Konfiguration erlaubt, lassen sich zusätzliche Features, wie beispielsweise chip-integrierte Strom- und Temperatursensorik, einfach einfügen.
Die neue Gehäusetechnik erlaubt den kurzzeitigen (10 s) Betrieb von Chips bei einer erhöhten Sperrschichttemperatur von bis zu 175 °C. Damit werden Leistungsspitzen abgedeckt, für deren Auslegung sonst größere Module notwendig wären. Gleichzeitig stellt die erhöhte Zyklenfestigkeit mit 60 000 Zyklen (PCsec bei 100 K) sicher, dass die entstehenden höheren Temperaturunterschiede keinen negativen Einfluss auf die Lebensdauer des Moduls haben.
Das HybridPack Drive nutzt ein vollständig neues Montagekonzept und ermöglicht eine schnelle und kostensparende Serienfertigung. Anstatt mit Schraubanschlüssen ist das Modul mit multifunktionalen Anschluss-Pads für einen schnellen Schweiß- oder Clinchprozess ausgestattet. Für Anwender, die einen Schraubanschluss bevorzugen, können die flexiblen Pads entsprechend vorbereitet werden. Eine weitere wichtige Verbesserung stellt die Einführung der PressFit-Technik dar: Die elektrische Kontaktierung entsteht durch mechanisches Verpressen von Leiterkarte und Leistungsmodul. Die dadurch erzeugte gasdichte Verbindung bietet im Vergleich zur Löttechnik eine hohe Lebensdauer und Robustheit gegenüber starker Vibrationsbeanspruchung. Die Einpresstechnik ermöglicht eine zuverlässige Montage zwischen Leiterkarte und Modul innerhalb von wenigen Sekunden. Im Vergleich mit einem Selektivlötprozess ist diese Montagetechnik mindestens 10 bis 20 Mal schneller.
Um die maximal zulässige Temperatur der Sperrschicht von Tvj_op = 175 °C nicht zu überschreiten, muss das Modul gekühlt werden, damit die entstehende Verlustleistung abgeführt werden kann. HybridPack Drive unterscheidet sich hier von anderen Leistungsmodulen: Das PinFin-Array an der Unterseite der Bodenplatte führt die Wärme direkt ins Kühlmedium ab. Es braucht also keinen zusätzlichen Wärmeübergang beispielsweise Wärmeleitpaste oder -folie, was die Leistungsausbeute effektiv macht. Die PinFin-Struktur eignet sich für standardmäßige Kühlflüssigkeiten wie Wasser/Ethylenglykol-Mischungen.
Infineon Technologies AG, Tel.: 089 234-0, martin.gleich@infineon.com www.infineon.com/hybrid
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