Analyse von Anwendungen und Lösungen für Traktionswechselrichter

Die beiden wichtigsten Designüberlegungen für Traktionswechselrichter sind die Umwandlungseffizienz und die Spitzenleistung. Je höher die Umwandlungseffizienz von DC zu AC ist, desto größer ist die Reichweite bei derselben Batterie. Eine höhere Effizienz bedeutet auch, dass das System mehr Leistung liefern kann und dabei weniger Wärme bewältigen muss. Die Spitzenleistung des Traktionswechselrichters bestimmt die Gesamtleistung des Fahrzeugs, insbesondere sein momentanes Drehmoment und seine Beschleunigungsfähigkeiten. Effizienz (Reichweite) und Spitzenleistung (Leistung) definieren letztendlich die Anwendung und den Einsatzbereich des Fahrzeugs.   Traktionswechselrichter schaffen die größte Nachfrage nach SiC in allen EV-Anwendungen, und es wird erwartet, dass diese Nachfrage noch weiter steigt, da Anwendungen zu 800-V-Batteriepacks wechseln. Die Vorteile der SiC-Technologie werden im Vergleich zu IGBT-basierten Systemen noch signifikanter.   In Leistungsanwendungen ist die Leistungsdichte wichtig, aber die Zuverlässigkeit ist gleichermaßen entscheidend und kann in einigen Anwendungen sogar noch wichtiger sein. Während Ingenieure oft Leistungsgrenzen adressieren können, sind sie weniger bereit, tatsächliche Ausfälle zu akzeptieren, die zu ungeplanten Ausfallzeiten oder Reparaturen führen könnten, da diese erhebliche unerwartete Auswirkungen auf das Geschäft haben können.

Verwandte Technologien und Designarchitekturen für Traktionsumrichter

BEVs verlassen sich vollständig auf die in Hochspannungsbatteriepacks gespeicherte Energie und erfordern die effizientesten Traktionswechselrichter und Motorentechnologien. Es gibt kaum identische Architekturen auf dem Markt, was zu unterschiedlichen Anforderungen an Traktionswechselrichter führt. Der Hauptunterschied liegt darin, wie der Motor mit den Rädern verbunden ist – entweder direkt oder über ein Differential.   Direktantrieb kann eine höhere Effizienz, weniger Wartung und eine einfachere Implementierung erreichen, erfordert jedoch aufgrund der Niedrigdrehzahlanforderungen in der Regel ein größeres Volumen. Die Implementierung des Differenzialantriebs erhöht die Leistungsdichte aufgrund der höheren Umdrehungszahlen des Motors und der festen Übersetzungsverhältnisse des Differentials, jedoch erfordern mechanische Zahnräder Wartung und leiden unter Getriebeverlusten.   Durch die Verbesserung der Effizienz und Robustheit des Traktionswechselrichters kann die Gesamteffizienz des Fahrzeugs gesteigert werden. Der Wechselrichter besteht jedoch nicht nur aus einem 6-Pack MOSFETs; er enthält auch Schutz- und Überwachungs-Hilfsschaltungen, um Systemfehler zu vermeiden. Schnelles und zuverlässiges Schalten innerhalb des Wechselrichters, zusammen mit Überwachungssignalen zur Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit, hat zusätzliche Auswirkungen auf die Wahl der Gate-Treiber. Darüber hinaus bestehen BEVs und HEVs aus verschiedenen angrenzenden leistungselektronischen Systemen, die für die Leistungskontrolle, das Batteriemanagement und das Vorwärtsbewegen des Fahrzeugs verantwortlich sind.   Das kritischste Modul des Traktionswechselrichters ist seine Leistungsstufe, die aus Hochleistungsschaltern wie IGBT-basierten und SiC-MOSFET-basierten integrierten Leistungsmodulen besteht. Die Leistungsstufe wird von einem Power-Management-IC, einem Mikrocontroller (MCU) oder einer Kombination aus beiden gesteuert. Die Schalter werden überwacht und durch die Messung der Temperatur, Spannung und des Stroms der Leistungsstufe während des Betriebs geschützt.   Die Steuerung der Schalter erfolgt über die MCU, die das anfängliche PWM-Signal erzeugt. Der isolierte Gate-Treiber verstärkt das erzeugte PWM-Signal und liefert genügend Ladung, um die Hochleistungsschalter ein- und auszuschalten. Die MCU muss die Invertermodulation basierend auf empfangenen Rückmeldesignalen wie Spannung, Strom und Motorposition steuern und anpassen.

MOSFETs sind die wichtigsten Komponenten in der Leistungsstufe von Traktionswechselrichtern

MOSFETs in der Leistungsstufe von Traktionswechselrichtern sind die kritischsten Komponenten, da sie den Strom steuern, der zum Motor fließt, um Bewegung zu erzeugen. Die drei Beine des Wechselrichters wandeln die Spannung der Gleichstrombatterie in dreiphasige Wechselstromspannung und -strom um, um den Motor anzutreiben. Die Leistungsstufe wird während des Betriebs durch Überwachung von Temperatur, Spannung und Strom geschützt.   onsemi bietet drei Ansätze zur Konstruktion leistungsstarker Leistungsstufen mit EliteSiC™-Geräten. Der erste ist die am meisten integrierte Lösung mit einem einzigen 6-Pack-Modul (SSDC39) mit Pin-Fit-Kühlkörper. Der zweite Ansatz verwendet drei Halbbrückenmodule (AHPM15), um eine höhere Designflexibilität bei gleichzeitiger Beibehaltung der Leistung zu erreichen. Der dritte Ansatz nutzt 6x M3e MOSFETs im gehäuselosen Bare-Die-Format, um ein kundenspezifisches Moduledesign zu erstellen.   Das 6-Pack-EliteSiC-Leistungsmodul für Traktionswechselrichter - SSDC39 - bietet eine erhöhte Leistung, bessere Effizienz und eine höhere Leistungsdichte in einer branchenüblichen Paketlösung. Das NVXR17S90M2SPB-Modul integriert 900V 1.7 mΩ SiC-MOSFETs in der 6-Pack-Konfiguration, SSDC39-Paket. Für eine einfache Montage und verbesserte Zuverlässigkeit sind die Signalanschlüsse des Leistungsmoduls mit der nächsten Generation von Press-Fit-Pins ausgestattet. Zur direkten Kühlung ist die mit Gel gefüllte Verpackung mit einem optimierten Pin-Fin-Kühlkörper in der Basisplatte ausgestattet, der nach AQG324-Standard für den Automobilbereich entwickelt wurde.   Das Halbbrücken-EliteSiC-Leistungsmodul für Traktionswechselrichter - AHPM15 - verfügt über das NVVR26A120M1WSS-Leistungsmodul, das 1200V 1.7 mΩ SiC-MOSFETs in einer Halbbrückenkonfiguration integriert. Dieses Modul weist eine geringe Streuinduktivität (7.1 nH) und einen niedrigen RDS(ON) auf, was es ideal für Anwendungen in Hybrid- und batterieelektrischen Fahrzeug-Traktionswechselrichtern macht. Die AHPM15-Modulfamilie ist mit zwei Leistungsanschlussvarianten erhältlich, darunter gerade oder 90°-Leistungsanschlüsse. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und thermischen Leistung wird die Die-Befestigung mit Sintertechnologie durchgeführt, und das Modul ist gemäß AQG324-Standard konzipiert.   Das NCS025M3E120NF06X, das auf der neuen EliteSiC™ 1200V M3e MOSFET-Technologie basiert, ist onsemis leistungsstarker dritter Generation 1200V SiC-MOSFET im gehäuselosen Bare-Die-Format. Das 5x5 mm große Bare-Die kann in jedes kundenspezifische Moduledesign implementiert werden. Die M3e-Produktfamilie, basierend auf onsemis neuester Generation der SiC-MOSFET-Technologie, bietet den niedrigsten typischen Einschaltwiderstand in ihrer Klasse mit VGS = 18V, ID = 135A, TJ = 25℃ bei 11.0 mΩ, was sie zu einer idealen Wahl für Traktionswechselrichter im Automobilbereich macht.   Zusätzlich hat onsemi die EliteSiC B2S- und B6S-Leistungsmodulen für EV-Traktion basierend auf der neuen 1200V SiC M3e-Technologie eingeführt. Das B2S-Modul ist eine sinterbare Halbbrücke, und das B6S ist ein größeres 6-Pack-Modul mit integriertem Kühlkörper. Das B2S-Modul verschiebt die Grenzen von hoher Leistung und Effizienz von Traktionswechselrichtern und bietet skalierbares Design von 160 bis 400 kW. Der Zellpitche der M3e-MOSFETs wurde im Vergleich zur M1-Familie um mehr als 60% reduziert. SiC-planare MOSFETs haben Milliarden von Stunden Felderfahrung mit niedrigen Ausfallraten gesammelt, und 100%-Defekterkennung, beschleunigte elektrische Tests und Prüfungen des Gate-Oxids adressieren Schwächen von SiC. SiC-Chips und Kühlkörper werden mittels Sintertechnologie verbunden.

Die IGBT-Technologie bleibt das Fundament der EV-Technologie

Isolierte Gate Bipolartransistoren (IGBTs) bleiben das Fundament der EV-Technologie und treiben Verbesserungen in Effizienz, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit voran. Als Rückgrat der Energieverwaltungssysteme von Elektrofahrzeugen (EVs) können IGBTs große elektrische Lasten mit bemerkenswerter Stabilität bewältigen und so eine langfristige, konsistente Leistung sicherstellen. Diese Zuverlässigkeit ist entscheidend für EVs, da die Energieanforderungen erheblich schwanken, insbesondere zwischen schneller Beschleunigung und regenerativem Bremsen.   IGBTs bleiben eine kosteneffektive Option und waren über viele Jahre die bevorzugte Wahl für EV-Antriebsstränge. Allerdings gewinnen SiC-MOSFETs aufgrund ihrer Vorteile bei Effizienz und thermischer Leistung zunehmend an Bedeutung und stellen eine immer attraktivere Option für die nächste Generation von EVs dar.   onsemi verbessert und erweitert weiterhin sein IGBT-Produktportfolio, indem neue IGBT-Technologien wie die Narrow Mesa Field Stop (FS4 und FS7) eingeführt werden, die niedrigere Leistungsverluste bei geringerer Last und eine insgesamt verbesserte Systemeffizienz für Automobilanwendungen zeigen.   Das IGBT 6-Pack-Leistungsmodule von onsemi = NVH660S75L4SPFB - integriert sechs FS4 750V Narrow Mesa IGBTs in einer 6-Pack-Konfiguration. Dieses Modul zeichnet sich durch hohe Stromdichte aus und bietet gleichzeitig robusten Kurzschlussschutz und höhere Sperrspannung. Es verwendet das Gehäuse mit geringer Streuinduktivität SSDC33 mit direkter Kühlung und einem flachbasierten Kühlkörper.   Ein weiteres IGBT-Halbbrücken-Leistungsmodule - NVG600A75L4DSC2 - integriert zwei FS4 750V-IGBTs in einer Halbbrücken-Konfiguration. Das Modul integriert Chip-Temperatur- und Stromsensoren, und das dualseitig kühlende Gehäuse AHPM15 verbessert die thermische Leistung.   Darüber hinaus bietet onsemi zwei Evaluierungshardwarekits (Referenzdesigns) für EV/HEV-Traktionsumrichteranwendungen (bis zu 150 kW), die auf der VE-Trac-IGBT-Modulfamilie basieren. Diese Evaluierungskits (EVKs) ermöglichen es den Kunden, die Leistung des VE-Trac Direct-Leistungsmodule in den frühen Entwicklungsphasen von Umrichtern zu bewerten. Es gibt zwei EVK-Varianten, die auf 6-Pack- und Halbbrücken-Leistungsmodule basieren. Die Kits können als Doppelpulstester verwendet werden, um wichtige Schaltparameter zu messen, oder als Dreiphasen-Wechselrichter zur Motorsteuerung.

Vollständig spezifizierte EliteSiC- und IGBT-Leistungsmodule und Evaluierungsboards

Die Schaltcharakteristik von IGBT- und SiC-Modulen wird von vielen externen Parametern beeinflusst, wie Spannung, Strom, Temperatur, Gate-Konfiguration und Streuelementen. Die Induktivität der Gleichspannungs-Schleife (DC-Link) und die Induktivität der Gate-Schleife beeinflussen die Schaltcharakteristik von IGBT- und SiC-Leistungsmodulen. Ein Double-Pulse-Testaufbau wird verwendet, um die Schaltcharakteristik von zwei Modulen zu messen, einschließlich des 900V EliteSiC 1,7 mΩ Klassentyps NVXR17S90M2SPB und des 750V VE−Trac IGBT NVH950S75L4SPB, beide im SSDC33-Gehäuse mit ultra-geringer Streuinduktivität (8 nH). Die diskrete Lösung von onsemi für Traktionswechselrichter ist das EliteSiC™ MOSFET, das 650V~1200V unterstützt und kontinuierlich die Grenzen von RDS(ON), QG, RSP usw. verschiebt.   onsemi bietet außerdem ein diskretes Double-Pulse-Tester (DPT)-Evaluierungsboard - EVBUM2897 - an, das für vergleichende Messungen von SiC, Si MOSFETs und IGBTs in diskreten Gehäusen entwickelt wurde. Der Hauptzweck des Testers ist das Testen der Schaltleistung und der Vergleich verschiedener Gerätetypen oder Gehäuse.   onsemi bietet auch ein Hotplate- und Double-Pulse-Generator-Erweiterungsboard - EVBUM2901 - an, das heiße Temperaturprüfungsbedingungen und variablen 10-Puls-PWM-Generator für das diskrete DPT-Board bietet. Das EVBUM2901 unterstützt zusammen mit dem DPT-Board die Verwendung von Tochterkarten für Hot-Temperaturprüfungen aller onsemi diskreten Gehäuse (SiC, Si) innerhalb einer Durchbruchspannung von 1200V.   onsemis NFVA25012NP2T ist ein 1200V, 50A intelligentes Leistungsmodul (IPM) für Hochspannungs-Hilfsmotoren, das eine voll ausgestattete, leistungsstarke Wechselrichter-Ausgangsstufe für Hybrid- und Elektrofahrzeuge bereitstellt. Das Modul integriert einen 1200V, 50A dreiphasigen IGBT-Wechselrichter mit optimierten Gate-Treibern, Steuerungs- und Schutzfunktionen. Es wird für Hilfsanwendungen wie elektrische HVAC-Kompressoren, Hochspannungs-Öl- und Wasserpumpen, Hochspannungs-Turbolader und eine Vielzahl von Lüftern empfohlen.   onsemis Hochstrom-Einzelkanal-Gate-Treiber, NCV57001 und NCV57100, sind für hohe Systemeffizienz und Zuverlässigkeit in Hochleistungsanwendungen wie Traktionswechselrichtern ausgelegt. Auf dem Miller-Plateau kann der NCV57100 bis zu ±7A liefern, während der NCV57001 +4/-6A liefert. Diese Treiber verfügen über interne galvanische Isolierung und umfassen komplementäre Eingänge, Open-Drain-Fehler- und Bereitschaftssignale, aktive Miller-Klemmung, präzise UVLOs, DESAT-Schutz und sanfte DESAT-Abschaltung.   Zusätzlich gibt es ein Evaluierungsboard, das mit dem NCV51752 (NCV51152)-Treiber ausgestattet ist und eine intern integrierte Negativspannungssteuerung bietet, wodurch das System keine externe Negativspannungsversorgung zum Treiber bereitstellen muss. Das Evaluierungsboard hat mehrere PCB-Layout-Varianten, um alle von onsemi unterstützten diskreten SiC-MOSFET-Gehäuse zu testen.

Fazit

Der Traktionswechselrichter ist die Kernkomponente des Antriebsstrangs in Elektrofahrzeugen (EVs) und Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs). Er ist verantwortlich für die Umwandlung von Hochspannungs-Gleichstrom in Wechselstrom, um den Motor anzutreiben. Seine Leistung beeinflusst direkt die Effizienz, die Leistungsabgabe und die Reichweite des Fahrzeugs. Blickt man in die Zukunft, müssen Automobilhersteller und Zulieferer die Gestaltung von Traktionswechselrichtern kontinuierlich optimieren, um eine höhere Leistungsdichte, geringere Verluste und eine überlegene Wärmeverwaltung zu gewährleisten. Dabei müssen sie auch auf Leichtbau und Zuverlässigkeit achten, um den Anforderungen der nächsten Generation von EVs gerecht zu werden. onsemi bietet vollständig spezifizierte Lösungen für Traktionswechselrichter, die die Leistung von EVs weiter verbessern, intelligenten Transport und die Entwicklung nachhaltiger Energien fördern und der globalen Automobilindustrie helfen, sich einer Zukunft ohne Kohlenstoffemissionen zu nähern.