Effektive Überwachung und Steuerung sind für den effizienten und zuverlässigen Betrieb elektrischer Teilsysteme unerlässlich. Halbleiterhersteller wie Microchip bieten eine breite Palette an Hardware und Software, Entwicklungswerkzeugen für eingebettete Systeme sowie hocheffiziente, auf Siliziumkarbid (SiC) basierende Stromversorgungslösungen, um Innovationen in Elektrofahrzeug- und Hybridsystemen zu fördern.
Die Entwickler von Subsystemen in der Automobilindustrie arbeiten kontinuierlich an innovativen Lösungen, um die Reichweite von Elektrofahrzeugen zu erhöhen und die Ladezeit zu verkürzen. Um diese Ziele zu erreichen, stoßen sie bei siliziumbasierten Technologien hinsichtlich Größe, Gewicht und Energieeffizienz an deren physikalische Grenzen und setzen nun auf SiC-Lösungen. Im Vergleich zu Silizium bieten SiC-Bauelemente einen geringeren Verbindungswiderstand, schnellere Schaltzeiten und die Fähigkeit, höheren Spannungen und Strömen bei höheren Sperrschichttemperaturen standzuhalten. Ein weiterer entscheidender Vorteil von SiC ist seine geringere Größe, die eine höhere Leistungsdichte ermöglicht – ein kritischer Faktor für viele wichtige Anwendungen in Elektrofahrzeugen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass der Markt für Widebandgap (WBG)-SiC-Leistungshalbleiter in der Automobilindustrie laut Omdia (SiC-Leistungshalbleiter nach Anwendung, Mid-Case-Bericht 2022) bis 2030 voraussichtlich um das Dreizehnfache wachsen wird, ausgehend von seinem aktuellen Wert von 1 Milliarde US-Dollar.
Der Trend zu höheren Spannungen, wie beispielsweise 800 V, in Elektrofahrzeugen treibt die Entwicklung neuer Designs für Traktionswechselrichter, DC/DC-Wandler, On-Board-Ladegeräte und Kompressoren für Wärmepumpen und Brennstoffzellen voran. Hochvolt-SiC-MOSFETs und Hochleistungsdioden eignen sich ideal für Elektrofahrzeuge, insbesondere für Nutzfahrzeuge und Offroad-Anwendungen, wo die Verfügbarkeit entscheidend ist.
Die bestehende 400-V-Ladeinfrastruktur für konventionelle Fahrzeuge muss auch die neuen 800-V-Fahrzeugdesigns unterstützen. Der steigende Bedarf an hohen Spannungen treibt die Entwicklung von DC/DC-Aufwärtswandlern für Fahrzeuge voran, um die Spannungsversorgung zu optimieren.
Die SiC-Technologie kann auch als Schaltelement in Halbleiter-Leistungsschaltern oder elektronischen Sicherungen eingesetzt werden, um die elektrischen Komponenten des Fahrzeugs zu schützen und Fehler zu diagnostizieren, bevor sie zu schwerwiegenden Ausfällen führen. Ausfallzeiten und Reparaturkosten lassen sich dank verbesserter Diagnose- und Konfigurationsmöglichkeiten im Vergleich zu mechanischen Lösungen reduzieren.
Gleichzeitig besteht Bedarf an Schnellladeinfrastruktur für Gleichstrom, um Fahrzeuge schnell wieder aufzuladen. Dies ist besonders wichtig für Nutzfahrzeuge, von Lkw und Bussen bis hin zu Bergbau- und Baumaschinen, die möglichst lange einsatzbereit sein müssen.
Halbleiter-Leistungsschalter:
Der Einsatz von Siliziumkarbid (SiC) für Halbleiter-Leistungsschalter bietet gegenüber herkömmlichen Schutzlösungen zahlreiche Vorteile. Die Technologie ermöglicht blitzschnelles Schalten über ein softwarekonfigurierbares Auslöseprofil, beispielsweise über eine LIN-Schnittstelle, und unterbricht einen Stromkreis innerhalb von Mikrosekunden – 100- bis 500-mal schneller als herkömmliche mechanische Verfahren dank ihrer Hochspannungs-Halbleiterbauweise.
Die E-Sicherung ist rücksetzbar, wodurch der Austausch physischer Sicherungen entfällt und eine zuverlässige Langzeitlösung für häufig unterbrochene Stromkreise gewährleistet wird. Die potenziellen Risiken von Lichtbögen beim Schalten von Hochspannungs-Gleichströmen mit mechanischen Kontakten werden durch die Verwendung einer Halbleiter-E-Sicherung eliminiert.
Der Microchip E-Fuse-Technologie-Demonstrator mit 700-V- und 1200-V-mSiC™-MOSFET-Schaltern kombiniert Strommessung, Verstärker, eine LIN-Schnittstelle und einen 8-Bit-PIC™-Mikrocontroller mit kernunabhängigen Peripheriegeräten zu einer vollständigen, hochintegrierten Lösung. Alle Komponenten sind mit AEC-Automobilzulassung erhältlich. Diese Konstruktion verwendet eine Zeit-Strom-Kennlinie (TCC-Kennlinie), die Konstrukteuren den Übergang von herkömmlichen Sicherungen oder Schützen erleichtert und eine Kurzschlussfestigkeit von bis zu 10 µs bei einer Strombelastbarkeit von bis zu 30 A aufweist.
Schnellladen:
Elektrofahrzeuge, Nutzfahrzeuge und Geländewagen benötigen Schnellladefunktionen. Während Pkw über Nacht zum Laden geparkt werden können, müssen Busse und Baumaschinen rund um die Uhr effizient arbeiten. Diese Fahrzeuge setzen daher zunehmend auf 800-V- oder sogar 1000-V-Akkus, um die für größere Fahrzeuge mit hoher Last erforderliche Leistung bereitzustellen.
Diese On-Board-Ladegeräte benötigen höhere Leistungsstufen, wofür die SiC-Technologie eine optimale Lösung bietet. Bauelemente mit Nennspannungen von 1200 V und sogar 1700 V bieten Entwicklern mehr Flexibilität bei der Konstruktion. Dies kann zu höherer Spitzenleistung des Fahrzeugs, weniger Redundanz und einer einfacheren Komponentenfertigung führen.
Die höhere Effizienz von SiC im Vergleich zu Silizium-IGBTs ermöglicht zudem kleinere Kühlkörper und reduziert somit das Fahrzeuggewicht.
Ein Technologiedemonstrator eines isolierten 30-kW-DC/DC-Ladegeräts ist verfügbar. Er basiert auf 1200-V-mSiC-MOSFETs mit Lawinenfestigkeit und zwei 1200-V-mSiC-Dioden. Das Design zeichnet sich durch einen maximalen Wirkungsgrad von über 98 %, eine Eingangsspannung von 650–750 V und eine Ausgangsspannung von 150–600 V bei einem maximalen Strom von 50–60 A und einer Schaltfrequenz von 140 kHz aus. Das Leiterplattendesign wurde hinsichtlich Sicherheit, mechanischer Belastbarkeit, Stromfestigkeit und Störfestigkeit optimiert.
Abbildung 2: 30-kW-SiC-DC/DC-Wandler
Des Weiteren ist ein 30-kW-Dreiphasen-PFC-Referenzdesign (Leistungsfaktorkorrektur) in Wiener Topologie auf Basis von SiC-Bauelementen verfügbar. PFCs werden typischerweise für die AC/DC-Wandlung benötigt und halten die Phasenverschiebung des AC-Eingangsstroms relativ zur AC-Eingangsspannung innerhalb genau definierter Grenzen, um einen nahezu perfekten Leistungsfaktor und geringe Klirrfaktorverzerrung (THD) zu gewährleisten.
Zukünftig wird es notwendig sein, Energie in die Fahrzeugbatterie zurückzuspeisen. Diese bidirektionale Ladefähigkeit lässt sich mit einem weiteren 11-kW-SiC-basierten PFC-Design in Totem-Pole-Konfiguration demonstrieren.
Sowohl die DC/DC-Wandlung als auch die PFC können modular kombiniert werden.
Abbildung 3 Referenzdesign PFC Wien 30 kW
Bausteine für Ladeinfrastruktur bis 150 kW:
Siliziumkarbid ist auch für die Ladeinfrastruktur von zentraler Bedeutung. Die gleichen Vorteile höherer Spannungen und Ströme, kombiniert mit höherer Effizienz durch kleinere Kühlelemente, führen zu kompakteren Ladegeräten. Während die Größe des Ladegeräts für Nutzfahrzeuge und Geländewagen, die über Nacht abgestellt werden, weniger kritisch ist, spielt sie bei den immer beliebter werdenden bidirektionalen DC-Heimladegeräten eine entscheidende Rolle.
Ebenso umgehen öffentliche DC-Schnellladegeräte der Stufe 3 das On-Board-Ladegerät (OBC) des Fahrzeugs und laden die Batterie direkt über das Batteriemanagementsystem (BMS) des Elektrofahrzeugs. Durch die Umgehung des OBC sind deutlich höhere Ladegeschwindigkeiten möglich, wobei die Ladeleistung zwischen 50 und 350 kW liegt.
Der modulare Aufbau sieht vor, dass ein PFC-Frontend für die AC/DC-Wandlung verwendet wird, oft ausgehend von höheren AC-Spannungen wie 480 V. Mehrere parallel geschaltete, isolierte DC/DC-Wandlermodule versorgen das Fahrzeug mit Strom.
Dieser Ansatz ermöglicht die Entwicklung einer breiten Palette von Ladegeräten, von Basismodulen bis hin zu Modellen, die den vielfältigen Bedürfnissen der Fahrzeughalter gerecht werden. Mit den steigenden Anforderungen an Fahrzeuge, die höhere Ladeleistungen erfordern, lässt sich die Ladeinfrastruktur mithilfe von SiC-Bauelementen anpassen. Dieser Ansatz wird bereits für Schnellladesysteme bis 150 kW und darüber hinaus für noch leistungsstärkere Systeme eingesetzt.
Der Einsatz von digitalem Energiemanagement und einer Kombination aus SiC-MOSFETs und Dioden ermöglicht Designs mit hoher Effizienz und Systemintegration, hoher Leistungsdichte, fortschrittlichen digitalen Regelkreisen und größerer Flexibilität in verschiedenen Leistungstopologien für DC-Schnellladeanwendungen. Diese können mit analogen Bauelementen, Energiemanagement, drahtloser und kabelgebundener Konnektivität, Energiemessung, Speicher, Sicherheitsfunktionen und einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) kombiniert werden, um ein L3-DC-Schnellladesystem zu realisieren.
Fazit:
Widebandgap-Lösungen (WBG) wie SiC sind grundlegend für die Elektromobilität und ermöglichen höhere Effizienz, Dichte und Zuverlässigkeit in der Leistungswandlung.
Microchip unterstützt Entwickler mit seinen mSiC™-Leistungsprodukten und -lösungen bei der einfachen, schnellen und sicheren Einführung von Siliziumkarbid.
Das Sortiment umfasst chipbasierte, diskrete und modulbasierte SiCs von 700 V bis 3,3 kV.
Darüber hinaus umfasst das globale Portfolio MPUs, MCUs, Wi-Fi®/Bluetooth®- und Messchips sowie eine grafische Touchscreen-Benutzeroberfläche für Anwendungen in Ladeinfrastrukturen. Im Fahrzeugbereich beinhaltet es unter anderem digitale Signalcontroller, On-Board-Netzwerkkomponenten und Controller.
Die Komplettlösung umfasst außerdem Softwarepakete für optimierte Leistungsregelungsalgorithmen im Motor- und Schaltbetrieb sowie Software-Stacks und Diagnosebibliotheken für die funktionale Sicherheit.
Autor: Andreas von Hofen, Marketingleiter der Automotive Products Group von Microchip Technology
