Daher müssen wir verstärkt darauf achten, das gesellschaftliche Bewusstsein für unser Handeln zu schärfen und Wege zu finden, wie unser Energieverbrauch irreparable Schäden für den Planeten verhindern kann. Der flächendeckende Ausbau erneuerbarer Energien und die Elektrifizierung von Fahrzeugen sind zwei der wichtigsten Initiativen, die dies vorantreiben.
In den kommenden Jahren wird sich der Verbrauch von Elektrofahrzeugen voraussichtlich verzehnfachen. Die Europäische Union (EU) strebt beispielsweise an, bis zum Ende dieses Jahrzehnts mehr als 30 Millionen elektrische Pkw auf ihren Straßen zu haben. Dies hat mehrere Gründe. Erstens stärken die erheblichen Investitionen von Regierungen und privaten Unternehmen in die Ladeinfrastruktur das Vertrauen der Bevölkerung in den Umstieg von herkömmlichen Verbrennungsmotoren auf Elektrofahrzeuge. Derzeit sind in Europa rund 250.000 Ladepunkte in Betrieb, und diese Zahl steigt stetig. Zwei weitere wichtige Gründe für die zunehmende Verbreitung von Elektrofahrzeugen sind ihre größere Reichweite und die kürzeren Ladezeiten, was den Komfort für den Nutzer erhöht.
Darüber hinaus ist das Bestreben, die Betriebseffizienz zu verbessern und Energieverluste zu eliminieren, ebenso wichtig. Je höher der Anteil an Solar- und Windenergie ist, der in Strom umgewandelt werden kann, desto effizienter arbeiten diese Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien. Daher müssen Anstrengungen unternommen werden, die verwendeten Wechselrichter zu optimieren. Elektromotoren und industrielle Antriebe müssen möglichst verlustarm arbeiten. Um dies zu erreichen, sind ausgefeiltere Regelungsalgorithmen erforderlich.
Neue Herausforderungen erfordern neue Strategien.
Die Anforderungen von Elektrofahrzeugen, Industrieantrieben und erneuerbaren Energien erfordern kontinuierliche Innovationen in elektrischen Systemen. Die Entwicklung der Wide-Bandgap-Technologie (WBG) war grundlegend für die Erreichung neuer Leistungsniveaus und die Verkleinerung der Gesamtsystemgröße (durch den Einsatz kleinerer passiver Peripheriebauteile). Der Einsatz von Siliziumkarbid (SiC) anstelle von Silizium (Si) ermöglicht beispielsweise deutlich höhere Schaltgeschwindigkeiten. Dadurch lässt sich die Energieumwandlungseffizienz erheblich steigern. SiC-MOSFETs ersetzen die sperrigen Si-IGBTs, und die Ein- und Ausschaltverluste wurden signifikant reduziert. Diese Vorteile zeigen sich in den DC/DC-Wandlern von Elektrofahrzeugen und Systemen für erneuerbare Energien.
Dank der höheren Leistungsdichte von SiC-MOSFET-Modulen können Wechselrichter für erneuerbare Energien, Industrieantriebe und Motorsteuerungssysteme deutlich kompakter gestaltet werden und gleichzeitig einen effizienteren Betrieb ermöglichen. Da sie bei höheren Temperaturen als ihre Si-Pendants arbeiten können, sind auch die Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit zu berücksichtigen.
Technologische Fortschritte müssen alle Aspekte der Stromversorgungssystementwicklung beeinflussen, um die notwendigen Verbesserungen für langfristige Nachhaltigkeit zu erzielen. Diese Fortschritte betreffen die Halbleiterprozesse, die Entwicklungshardware für Leistungs- und Motorsteuerungsgeräte sowie den Systementwicklungsansatz. Ingenieure benötigen umfassende Unterstützung, um ihre ambitionierten Effizienzziele zu erreichen. Evaluierungsboards helfen ihnen, die für ihre Designs gewünschten Geräteparameter zu bestimmen und den Prototypenbau zu beschleunigen. Der Zugriff auf Referenzdesigns ist von unschätzbarem Wert, wenn Ingenieure ihre aktuellen Siliziumkomponenten durch leistungsfähigere WBG-Alternativen ersetzen möchten.
Toshibas Rolle bei der Entwicklung von Stromversorgungssystemen der nächsten Generation:
Toshiba hat sich stets als Pionier in der Leistungshalbleiterindustrie positioniert und bekräftigt dieses Engagement durch signifikante Investitionen. Zwei aktuelle Beispiele: Zum einen wurde im Frühjahr angekündigt, dass das japanische Werk in Kaga, das rund 1.000 Mitarbeiter beschäftigt, um eine 300-mm-Waferfertigungslinie erweitert wird, zusätzlich zur bestehenden 200-mm-Linie. Die neue Linie wird der Produktion fortschrittlicher diskreter Leistungskomponenten gewidmet sein.
Zum anderen bestätigte Toshiba kürzlich die Einrichtung eines Hochspannungslabors in Europa. Auf dem Düsseldorfer Campus gelegen, ermöglicht das Labor dem Unternehmen, seine lokalen Entwicklungskapazitäten auszubauen und so den hohen Anforderungen an die Entwicklung seines wachsenden Portfolios an Hochspannungsprodukten gerecht zu werden. Dadurch können Kundenbedürfnisse schneller und effektiver durch die Verfügbarkeit von Ingenieuren – mittels Simulation und Bewertung realer Anwendungen – erfüllt werden, um komplexe technische Herausforderungen zu meistern und effektive Lösungen zu entwickeln. Das Labor wird mit modernster Leistungsmess- und Analysetechnik ausgestattet und von erfahrenen Ingenieuren betreut. Die Anlage soll im Oktober dieses Jahres den Betrieb aufnehmen und in den nächsten zwei Jahren erweitert werden.
Produktinnovation:
Die neuesten Mitglieder der beliebten M4K-Mikrocontrollerfamilie von Toshiba, jeweils mit einem 32-Bit-ARM®-Cortex®-M4-Kern und Gleitkommaeinheit (FPU), verbessern die Motorsteuerung. Die neuen TXZ+-Bausteine nutzen die Advanced Vector Motor Plus (A-VE+)-Technologie und eignen sich daher hervorragend für die feldorientierte Steuerung (FOC) von Wechselstrom- und bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) sowie für Servoantriebe.
Der kürzlich vorgestellte MOSFET TPHR7404PU zeichnet sich durch geringe Spitzenspannung aus und minimiert so Überschwingeffekte beim Schalten. Diese diskrete 40-V-N-Kanal-Leistungskomponente basiert auf Toshibas proprietärer U-MOSIX-H-Prozesstechnologie. Sie eignet sich besonders gut für die sekundäre Synchrongleichrichtung in Schaltnetzteilen und ermöglicht eine deutliche Reduzierung elektromagnetischer Störungen (EMI).
Abbildung 1: Toshibas dreiphasiges PFC-Referenzdesign basierend auf der SiC-MOSFET-Technologie TW070J120B
Toshibas Referenzdesign für dreiphasige Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit 400 V AC wurde entwickelt, um den Ausbau der Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge zu erleichtern und den Übergang von Silizium- zu effizienteren wasserbasierten Akkus (WBG) zu vereinfachen. Es basiert auf Toshibas SiC-MOSFET-Technologie TW070J120B und der Gate-Treiber-Technologie TLP5214A und ist als brückenloser Dreiphasen-Wandler ausgeführt. Mit einer Ausgangsleistung von 750 V DC ist es optimal auf die höheren Spannungspegel für das Laden von Elektrofahrzeugen abgestimmt. Es erreicht einen Wirkungsgrad von 97 % und einen Leistungsfaktor von 0,99.
Dank des bidirektionalen DC/DC-Wandlers kann ein Stromversorgungssystem implementiert werden, das bei Bedarfsspitzen auf in Batteriereserven gespeicherte Energie aus dem Netz zurückgreift. Auch hier kommen die Komponenten TW070J120B SiC-MOSFET und TLP5214A zum Einsatz, wobei auf der Niederspannungsseite ein Si-basierter N-Kanal-MOSFET TK49N65W5 verwendet wird. Dieses Referenzdesign liefert 5 kW Leistung in beide Richtungen. Schutzmechanismen gegen Überstrom und Unterspannung sorgen für zusätzliche Sicherheit.
In Zusammenarbeit mit dem Hardwarehersteller MikroElektronika bietet Toshiba Ingenieuren eine Reihe von Click-Boards™ zur Entwicklung effizienter Motorsteuerungssysteme. Das DC MOTOR 14 Click ist eine PWM-Schaltlösung zum Ansteuern von bürstenbehafteten Gleichstrommotoren mit Vorwärts- und Rückwärtslauf. Kernstück des Boards ist der Treiber-IC TB67H450FNG mit einem maximalen Strom von 3,5 A. Niederohmige MOSFETs und der PWM-Betrieb ermöglichen einen effizienten Motorantrieb bei minimaler Wärmeentwicklung.
Abbildung 2: Mikroe DC MOTOR 14 Click-Board basierend auf dem Toshiba TB67H450FNG Treiber-IC
Es gibt noch viele Hürden zu überwinden, wenn wir unseren Stromverbrauch an die verfügbaren Ressourcen anpassen und eine umweltschonendere Gesellschaft aufbauen wollen. Dank kontinuierlicher technologischer Fortschritte können wir jedoch optimistisch sein, dieses Ziel zu erreichen.
Autor: Peter Lieberwirth, Vizepräsident Marketing und Operations, Toshiba Electronics Europe GmbH
