mit Hybrid- und Elektrofahrzeugen - HANSER automotive

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© Carl Hanser Verlag GmbH & Co.KG, München, www.hanser-automotive.de; Nicht zur Verfügung in Intranet- u.Internet-Angeboten oder elektron. Verteilern

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KOMPLETTE DREIPHASIGE UMRICHTERLÖSUNG

FÜR LEISTUNGEN BIS 80 KW

Schneller auf den Markt

mit Hybrid- und Elektrofahrzeugen

Fahrzeuge mit Hybrid- und reinem Elektroantrieb spielen eine entscheidende

Rolle in den Bemühungen, den Energieverbrauch und die CO 2 -Emissionen

des Individualverkehrs zu reduzieren. Infineon bietet mit dem Hybrid-

KIT for HybridPACK2 ein komplettes 3-Phasen-Umrichtersystem an, das

den Designaufwand für Hybrid- und Elektrofahrzeug-Architekturen zu

minimieren hilft. Außerdem dient es der Evaluierung des HybridPACK2,

eines für Anwendungen bis 80 kW konzipierten IGBT-Leistungsmoduls.

Das Blockschaltbild eines HybridKIT für Hybrid-

PACK2 ist in Bild 1 zu sehen – ein typisches dreiphasiges

Umrichter-Design. Nachfolgend wird

kurz auf die wichtigsten Elemente und die Besonderheiten

des Designs eingegangen.

Zwischenkreiskondensatoren dienen in Umrichtersystemen

dazu, die Batterie vom IGBT-Modul zu entkoppeln.

Folienkondensatoren sind für diesen Einsatzzweck am

besten geeignet. Als wichtigste Parameter sind die

Betriebsspannung, die zulässige Welligkeitsspannung und

die effektive Stromstärke anzuführen. Um die Streuinduktivität

des Gesamtsystems niedrig zu halten, sollten IGBT-

Modul und Kondensator mechanisch aufeinander abgestimmt

sein. Die im IGBT-Modul anfallende Verlustleistung

muss abgeführt werden, damit die im Datenblatt des Herstellers

angegebene Maximaltemperatur nicht überschritten

wird. Die Auslegung des Kühlsystems ist deshalb von

größter Bedeutung für das Erzielen einer optimalen Performance

und der erforderlichen Lebensdauer.

Das Konzeptdesign umfasst die Implementierung sämtlicher

Steuerungs-, Überwachungs-, Evaluierungs-, Sicherheits-

und Schutzfunktionen auf der Treiber- und Steuer-


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Bild 1: Blockschaltbild des HybridKIT for HybridPACK2.

ungsplatine. Dazu gehören auch die Auswahl der Bauelemente,

das Schaltungsdesign und das Erstellen eines Layouts,

welches nicht nur eine gute elektromagnetische Verträglichkeit

gewährleistet, sondern auch die Einhaltung der

nötigen Abstände sicherstellt, damit Überschläge und

Kriechströme sicher unterbunden werden. Hinzu kommen

Entwicklung, Prüfung und Debugging der Software. Die

Entwicklung des Umrichters als Schlüsselkomponente in

der Architektur von Hybrid- und Elektrofahrzeugen bedeutet

also einen nicht unerheblichen Aufwand.

Bestandteile und Funktionsmerkmale

von HybridKIT und HybridPACK2

Im HybridKIT (Bild 2) sind die zuvor skizzierten umfangreichen

Design-Herausforderungen bereits gelöst. Es wird

also eine elegante Lösung angeboten, die eine ebenso

Bild 2: Das HybridKIT von Infineon Technologies.

TITELl AUTOMOTIVE 9.2009l13

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schnelle wie einfache Entwicklung des Umrichters sowie

der gesamten Architektur von Hybrid- und Elektrofahrzeugen

ermöglicht. Des weiteren lässt sich auch die Markteinführungszeit

erheblich verkürzen, denn die entscheidenden

Parameter können zügig beurteilt und bewertet

werden. Dabei stellt das HybridKIT nicht nur ein Referenzdesign

dar, sondern es ermöglicht auch frühzeitige Systemtests,

wenn es im Rahmen eines HiL-Systems oder in

ersten Fahrversuchen zur Evaluierung eingesetzt wird.

Das Leistungshalbleitermodul HybridPACK2 von Infineon

(Bild 3) als erster wichtiger Block des HybridKIT erfüllt die

besonderen Anforderungen, die in Automotive-Anwendungen

bezüglich der Temperaturzyklenfestigkeit gestellt

werden. Denn bei der Entwicklung der HybridPACK-Familie

wurden entscheidende Verbesserungen erzielt, was die

Verbindung der Bonddrähte auf der Chipoberfläche und die

Lötverbindungen zwischen Grundplatte und

Substrat betrifft. Die Anforderungen der meisten

flüssigkeitsgekühlten Systeme werden

auf diese Weise erfüllt. Das Design des

HybridPACK2 ist auf die Belange eines 80-

kW-Antriebs abgestimmt. Abgesehen von

sämtlichen Leistungshalbleitern für den

eigentlichen Umrichter sind drei NTC-Widerstände

zur Temperaturmessung enthalten.

Das für eine Sperrschichttemperatur von

+150 °C ausgelegte Modul besitzt eine Sixpack-Konfiguration

aus Trench-Fieldstop-

IGBTs der dritten Generation samt angepassten

emittergesteuerten Dioden. Die Lösung

ist für bis zu 800 A und 650 V dimensioniert

und zeichnet sich durch minimale Leitungsund

Schaltverluste aus.

Als weiteren Bestandteil enthält das Hybrid-

KIT den Gleichspannungs-Zwischenkreiskondensator

B25655J4507K von Epcos, der

sowohl elektrisch als auch mechanisch abge-

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Bild 3: Das Pinfin-Bodenplatten-Design sorgt für eine

integrierte Wasserkühlung zur Verbesserung des

Temperaturverhaltens und der Zuverlässigkeit.

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stimmt ist und damit eine geringe Streuinduktivität sicherstellt.

Spezielle Anpassungen und Tests des Kondensators

ergaben eine perfekte Abstimmung auf das HybridPACK2.

Für Anwendungen, die höhere Leistungen oder Betriebstemperaturen

erfordern, ist ein Wasserkühlungs-Element

im Lieferumfang enthalten. Dieses kann direkt am IGBT-

Modul befestigt werden. Eine integrierte Gummidichtung

stellt die notwendige Dichtigkeit sicher. Sämtliche Parameter

der Konstruktion sind auf eine kompakte Bauform,

optimale Kühlung und lange Lebensdauer ausgerichtet.

Das Leiterplattendesign gliedert sich in zwei Teile – eine

Treiber- und eine Logikplatine, wobei die allgemein gültigen

Entwurfsregeln und Standards berücksichtigt wurden. Die

sechskanalige IGBT-Treiberplatine ist in elektrischer und

mechanischer Hinsicht für das HybridPACK2 optimiert. Zu

den wichtigsten Merkmalen gehören ein Gleichspannungswandler,

der die einwandfreie Isolation der sechs

eigenständigen Treiber gewährleistet (Infineon 1ED020I12-

FA Coreless-Transformer-Technologie), eine isolierte Spannungsmessung

der Zwischenkreisspannung (als Eingangswert

für Schutz- und Überwachungsfunktionen), eine Temperaturmessung

über die erwähnten NTC-Widerstände,

aktive Klemmdioden für den Kurzschlussschutz sowie eine

separate Booster-Stufe für jeden IGBT-Treiber zur Verbesserung

der Stromtreiberfähigkeit.

E3CAR-FORSCHUNGSPROJEKT

Das E3Car-Projekt (Energy Efficient

Electrical Car) ist derzeit Europas größtes

Elektrofahrzeug-Forschungsprojekt.

Es hat zum Ziel, Fahrzeuge mit elektrischem

Antrieb um etwa 35% effizienter

zu machen – also entweder die Reichweite

von Elektrofahrzeugen um etwa

35% zu erhöhen (bei unveränderter

Größe der Batterieeinheit) oder die Batterieeinheit

um etwa 35% kompakter

und leichter zu bauen (bei gleichbleibender

Fahrstrecke). Erforscht werden

elektronische Komponenten für Elektrofahrzeuge,

die für den Energieverbrauch

eine zentrale Rolle spielen. Im Fokus

stehen dabei vor allem Halbleiter-Komponenten

und Leistungsmodule. 33

Unternehmen der Automobilbranche

Auf der Logikplatine sind alle Bauelemente für die Steuerung

der Treiberplatine zusammengefasst. Sie enthält

außerdem die Schnittstellen zu allen übrigen Elementen,

aus denen sich ein komplettes Umrichtersystem

zusammensetzt: Dies sind die Motorschnittstelle (Encoder

und Resolver), die Schnittstelle zur Strommessung, das

Kommunikations-Interface (CAN und RS232) sowie weitere

analoge und digitale Ein- und Ausgänge. Der eingesetzte

Infineon-Mikrocontroller TC1767 ermöglicht eine einfache

Implementierung der Software für Schutz- und Überwachungsfunktionen,

Treibersteuerung und die Performance-Evaluierung

des HybridPACK2. Beispiel-Software

für diese Features ist in Vorbereitung.

Fazit

Das HybridKIT für HybridPACK2 ist nicht nur ein Referenzdesign,

sondern erleichtert die Entwicklung dreiphasiger

Umrichtersysteme ungemein. Neben den Hardware-Tests

und -Messungen (z. B. Kurzschluss, Temperatur, etc.) kann

es auch für die Softwareentwicklung verwendet werden.

Alle Komponenten für den Aufbau eines kompletten

Systems sind ebenso enthalten wie die nötigen Schnittstellen

zum Anschluss an externe Systeme (Motor-, Strommessungs-

und Kommunikations-Schnittstellen). Die lückenlose

Dokumentation bestehend aus Stückliste, Schaltungsdesign

und Layout trägt zusätzlich dazu bei, das

Design von Systemen für Hybrid- und Elektrofahrzeuge zu

beschleunigen. (es)

Dr. Carlos Castro-Serrato ist bei Infineon als

System Engineer für Hybridanwendungen

tätig.

André Wankelmuth arbeitet als Marketing

Manager im Bereich der Leistungsmodule für

Elektroantriebe.

Infineon

@ www.infineon.com/hybrid

und Forschungseinrichtungen aus insgesamt

elf Staaten haben unter Projektleitung

von Infineon ihre Arbeit aufgenommen.

Projektabschluss ist Ende des

Jahres 2011. Die Ergebnisse des E3Car-

Projektes sollen dazu beitragen, Europa

zum weltweit führenden Standort für

die Weiterentwicklung und Produktion

von Elektrofahrzeugen zu machen.


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