Ingenieure benötigen jede Unterstützung, um neue elektrische Antriebe schnell zu entwickeln. Die Unterschiede gehen weit über physikalische Eigenschaften wie Größe, Form und Gewichtsbeschränkungen hinaus. Funktionale und elektrische Sicherheitsanforderungen sowie Umgebungsbedingungen hängen stark von der Anwendung und dem geografischen Standort ab. Zudem erfordert der Wettbewerb zwischen den Herstellern kurze Markteinführungszeiten.
Siliziumkarbid (SiC) ist hinsichtlich Leistung und Zuverlässigkeit die beste Leistungshalbleitertechnologie. Reichweitenbedenken haben den Automobilmarkt von Silizium hin zu SiC geführt, da dieses Material eine höhere Energieeffizienz in Fahrzeugen wie Bussen auf bekannten Strecken und Nutzfahrzeugen mit relativ kurzen Fahrstrecken bietet. In diesen Anwendungen ermöglicht die Fähigkeit von SiC, bei hohen Spannungen zu arbeiten, ein schnelleres Laden, während die hohe Temperaturbeständigkeit die Zuverlässigkeit maximiert. Darüber hinaus benötigen Module weniger SiC-Bauelemente, und SiC-MOSFETs können hinsichtlich der Durchbruchspannung kleiner sein als ihre Silizium-Pendants. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Modulgröße zu reduzieren.
Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter lassen sich jedoch nicht direkt durch Silizium-MOSFETs oder IGBTs ersetzen. Die korrekte Ansteuerung der Gates zur Gewährleistung schneller und reibungsloser Schaltvorgänge bei hohen Schaltfrequenzen ist komplex. Darüber hinaus bestehen weitere Herausforderungen, wie die Integration der Hardwarekomponenten, insbesondere des Wechselrichters und des intelligenten Leistungsmoduls, sowie die Konfiguration und Kalibrierung der Motorsteuerungssoftware.
Schnellere Entwicklung:
CISSOID hat eine SiC-Traktionswechselrichterplattform und ein Referenzdesign entwickelt, um diese Herausforderungen zu bewältigen und die Kommerzialisierung robuster und zuverlässiger SiC-Leistungsmodule zu beschleunigen (Abbildung 1). Antriebshersteller können damit Systeme realisieren, die mit Batteriespannungen bis zu 850 V betrieben werden können. Die Hardware ist modular aufgebaut und an Designs mit unterschiedlichen Leistungsstufen anpassbar.
Abbildung 1. Referenzdesign des CISSOID-Hochspannungs-SiC-Wechselrichters.
Das Referenzdesign befasst sich mit Aspekten des Wechselrichters, die schwierig und typischerweise zeitaufwändig sind. Zu seinen Hauptkomponenten gehört ein intelligentes 1200-V-Dreiphasen-Leistungsmodul (IPM) mit integriertem Gate-Treiber, der für SiC-Anwendungen optimiert und für hohe Temperaturen ausgelegt ist (Abbildung 2). Der Treiber liefert einen maximalen Strom von über 10 A und kann bei Umgebungstemperaturen bis zu 125 °C betrieben werden.
Abbildung 2. Das intelligente Leistungsmodul (IPM) besteht aus einer SiC-Leistungsstufe mit Stiftrippenkühlung und dem darauf montierten Gate-Treiber [2].
Da der SiC-Gate-Treiber in das Leistungsmodul integriert ist, können Anwender ihre Projekte mit einer bereits validierten und für hohe Schaltgeschwindigkeiten und geringe Verluste optimierten Lösung starten. Sie ist unempfindlich gegenüber hohen dI/dt- und dV/dt-Werten und bietet robuste Schutzmechanismen für die Leistungsstufen. Dadurch wird die Anzahl der Iterationen zur Feinabstimmung der Modulleistung und zur Sicherstellung eines optimalen Wärmemanagements deutlich reduziert. Die Referenzdesign-Hardware umfasst außerdem Gleichstrom- und Phasenstromsensoren, EMV-Filterung, einen kleinen Flüssigkeitskühler und einen hochdichten Zwischenkreiskondensator. Diese Kondensatoren wurden speziell für die Wechselrichterplattform entwickelt und bieten einen breiten Spannungs- und Strombereich.
Softwaresteuerung und Kalibrierung:
Zur Vervollständigung des Referenzdesigns gehört auch eine Elektromotor-Steuerplatine mit anwendungsspezifischem Prozessor und Software. Beide sind gemäß ISO 26262, ASIL Level D für funktionale Sicherheit vorzertifiziert. Die Motorsteuerungssoftware ermöglicht zahlreiche Anpassungen, ohne die Zertifizierung der funktionalen Sicherheit zu beeinträchtigen. Dadurch bietet sie Flexibilität zur Optimierung der Motorleistung entsprechend den Anforderungen der Endanwendung. Anwender können darauf ihre eigene Anwendungssoftware ausführen.
Die Steuereinheit basiert auf der feldprogrammierbaren Steuereinheit (FPCU) OLEA® T222 von Silicon Mobility. Dadurch kombiniert das Referenzdesign die softwarebasierte Flexibilität eines herkömmlichen Prozessors mit Hardwarebeschleunigung und gewährleistet so Echtzeitfähigkeit bis zur maximal gewünschten Motordrehzahl. Durch die Integration der Steuereinheit hilft das Referenzdesign Anwendern außerdem, die üblicherweise beim Anschluss von Steuereinheit und intelligentem Leistungsmodul auftretenden mechanischen und elektrischen Integrationsprobleme zu vermeiden.
OLEA® APP INVERTER ist eine flexible und vollständig anpassbare Steuerungssoftware (Abbildung 3), die sich dank einer Reihe von Konfigurations- und Kalibrierungsparametern, die offline oder in Echtzeit geändert werden können, an jeden elektrischen Antrieb und jeden Leistungsbereich anpasst. Die Software verfügt außerdem über eine Debugging- und Kalibrierungsumgebung mit grafischer Benutzeroberfläche.
Abbildung 3. Die OLEA® APP INVERTER Steuerungssoftware bietet zahlreiche Funktionen zur Regelung und Optimierung des Motorbetriebs.
Dank OLEA® COMPOSER können Entwickler die Zeit, die für die Optimierung von Motorsteuerungssoftware benötigt wird, verkürzen (weitere Informationen zum vierstufigen Prozess hierzu finden Sie im Kasten).
Leistung des SiC-Wechselrichters:
Nach der Konfiguration der Parameter kann der Motor getestet und der Wirkungsgrad der Wechselrichter-Motor-Einheit ermittelt werden. Abbildung 4a und 4b vergleichen die Leistung des SiC-basierten Wechselrichters mit der eines IGBT-basierten Wechselrichters, der unter vergleichbaren Echtzeitbedingungen getestet wurde.
Abbildung 4a. Leistung des SiC-Wechselrichters bis 260 kW bei 13500 U/min, wobei der Wirkungsgrad über den gesamten Drehzahl- und Drehmomentbereich dargestellt wird.
Abbildung 4b. Der Silizium-basierte Wechselrichter bis 120 kW bei 11.500 U/min weist unter vergleichbaren Bedingungen ein geringes Drehmoment auf (siehe Schnittpunkte).
Diese Leistungsdiagramme verdeutlichen, wie der höhere Wirkungsgrad des SiC-basierten Antriebs ein besseres Benutzererlebnis gewährleistet. Bei steigender Drehzahl und Last sinkt das Drehmoment des Motors aufgrund seines geringeren Wirkungsgrads im Betrieb mit einem IGBT-basierten Antrieb deutlich; die durch Energieverluste im Gerät selbst entstehende Wärme kann ohne erheblichen Kühlaufwand nicht abgeführt werden. Im Gegensatz dazu erreicht der hocheffiziente SiC-basierte Antrieb über einen deutlich größeren Drehzahl- und Lastbereich nahezu das maximale Drehmoment.
Antriebskonfiguration und -kalibrierung:
Die OLEA® COMPOSER Tool Suite unterstützt Anwender bei der Konfiguration des Motors gemäß Kundenspezifikationen und erleichtert die Kalibrierung von Parametern wie Spannung, Nennleistung, Drehzahl und Drehmoment, um den optimalen Betriebsbereich zu erreichen. Anschließend kann der Wirkungsgrad des Wechselrichters/Motors festgelegt werden.
Die Justierung und Kalibrierung erfolgen in vier Schritten:
Schritt 1: Software-Parameterkonfiguration
• Konfigurieren Sie die OLEA® APP INVERTER Software entsprechend den Elektromotorparametern.
Schritt 2: Wechselrichter-Hardware-Justierung
• Justieren Sie den Elektromotor einschließlich Komponenten wie Resolver und Temperatursensoren. Schließen Sie das elektronische Steuergerät (ECU) des Elektrofahrzeugs und die Schnittstellen des Prüfstands (z. B. CAN, Sicherheit), Stromversorgung und Kühlung an.
• Überprüfen Sie die Sicherheitsschnittstellen des Wechselrichters mit dem Prüfstand.
Schritt 3: Kalibrierung des Motorsteuerungssystems
• Open-Loop-Modus: Kalibrieren Sie die Signalaufbereitungsketten der Strom- und Spannungssensoren mit der OLEA® T222 FPCU.
• Partial-Open-Loop-Modus: Kalibrieren Sie den Positionssensor-Offset, unabhängig davon, ob Resolver oder induktive Sensoren verwendet werden.
• Stromregelung: Anpassung der ID- und IQ-Vektoren mittels PI-Regler für feldorientierte Regelung (FOC).
• Drehmomentregelung: Feinabstimmung des Drehmomentregelkreises zur Verbesserung der Genauigkeit und des dynamischen Ansprechverhaltens. • Drehzahlregelung: Kalibrierung
des Drehzahlreglers.
Schritt 4: Erweiterte Systemoptimierung
• Wahl der Schaltfrequenz: Anpassung der Schaltfrequenz in Abhängigkeit von Drehzahl und Phasenströmen.
• Totzeitkompensation: Anpassung des Totzeitkompensationsalgorithmus zur Minimierung der Phasenstromoberschwingungen.
• Flussreduzierung: Optimierung der ID/IQ-Sollwerte für effizienten Betrieb im Bereich des maximalen Drehmoments pro Spannung (MTPV). •
SVPWM/DPWM: Definition der Schwelle zwischen SVPWM (Raumzeiger-Pulsweitenmodulation) und DPWM (diskontinuierliche Pulsweitenmodulation) zur Erzielung höherer Effizienz bei hohen Drehzahlen. Mit
dieser Methode lässt sich die Referenzauslegung so anpassen, dass ein Wirkungsgrad von über 99 % bei einem 700-V-Zwischenkreis bis zu 4000 U/min erreicht wird (siehe unten).
Zusammenfassend lässt
sich sagen, dass Busse, Lkw und landwirtschaftliche Fahrzeuge ein erhebliches Potenzial für die Elektrifizierung und die Reduzierung umweltschädlicher Emissionen bieten. Siliziumkarbidbasierte Leistungselektronik kann die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Fahrzeugen maximieren und bietet gleichzeitig eine höhere Effizienz im Vergleich zu Silizium-IGBTs oder MOSFETs. Die Komplexität des SiC-Designs und die Notwendigkeit einer schnelleren Markteinführung erfordern eine flexible Entwicklungsplattform, die es Designern ermöglicht, die Anforderungen für verschiedene Fahrzeugtypen und -kategorien zu erfüllen. Ein umfassendes Referenzdesign, das die zentralen Herausforderungen des SiC-Designs adressiert und gleichzeitig Flexibilität und Skalierbarkeit für unterschiedliche Batterieleistungen und -spannungen in kleinen und großen Fahrzeugen bietet, minimiert effektiv die Designrisiken und beschleunigt die Markteinführung.
Referenzen
[1] Quelle: NESTE: Auf dem Weg zu nachhaltiger Mobilität / April 2023: https://journeytozerostories.neste.com/transportation/towards-sustainable-mobility#885e75ed
[2] CISSOID SiC Intelligente Leistungsmodule: https://www.cissoid.com/sic-power-modules/
Über Cissoid – www.cissoid.com:CISSOID
ist ein führender Anbieter von Leistungshalbleiterlösungen und liefert mehrphasige Hochstrom-Leistungsschaltmodule, Motorsteuerungssysteme und Software für ein breites Leistungsspektrum. Unsere Lösungen reichen von System-on-a-Chip bis hin zu kompletten Inverter-Referenzdesigns auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) für eine wachsende Zahl von Anwendungen in der Elektromobilität und im Hochleistungsbereich. Unsere führende Position und Expertise in der Halbleitertechnik für extrem hohe Temperaturen, hochzuverlässige Lösungen und Gehäuse ermöglichen es uns, die Herausforderungen der stetig steigenden Leistungsdichte in verschiedenen Märkten zu meistern.
Autor: Pierre Delatte, CTO, CISSOID
