Power-Tipp Die nächste Generation elektrischer Antriebssysteme

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Technologische Durchbrüche wie sehr kompakte, zuverlässige Leistungselektronik und funktionale Verbesserungen vereinfachen elektronische Antriebssysteme und sparen Platz und Kosten im Fahrzeug. Wie ist der Stand der Technik bei intelligenten Antriebsystemen?

Die kommende Generation von Traktionswechselrichtern für Elektrofahrzeuge (Bild 1) muss leistungsfähiger sein und bessere Regelungs- und Sensorik-Funktionen unterstützen. Zusätzlich wird die Fähigkeit zur Abgabe von Drehmoment auch dann verlangt, wenn in einem wichtigen Subsystem Probleme auftreten.

Das zugehörige Elektroniksystem bestehend aus Gate-Treiber, Stromversorgung und Mikrocontroller muss an die Phasenzahl und Leistung des jeweiligen Fahrzeugs angepasst werden können und die nötige Intelligenz und Resilienz zur Wahrung der funktionalen Sicherheit mitbringen. Die Motoren der nächsten Generation müssen außerdem höhere Drehzahlen unterstützen, damit die erforderliche Leistung nicht mit einem größer dimensionierten Motor realisiert werden muss, der nicht nur den Materialbedarf erhöht, sondern das Fahrzeug auch schwerer macht und mehr Platz beansprucht.

Höhere Motordrehzahlen von 25.000/min und mehr aber verlangen den MCUs der Motorregelung eine sehr hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit ab. Der Arm-Cortex-R-Mikrocontroller AM263P4 von TI kann eine mit 20 kHz getaktete Wechselrichter-Regelschleife unter 4 µs verarbeiten. Sein integrierter Resolver-to-Digital-Wandler kommt auf eine Winkelgenauigkeit von 0,05°, was die Gegen-EMK verringert und damit dem Wirkungsgrad zugutekommt. Ebenfalls integriert ist ein Beschleuniger für trigonometrische Berechnungen, mit dem sich die Rechenleistung verfünffacht.

Gate-Treiber für SiC-MOSFETs

Der Effizienzsteigerung dient auch eine Bias-Stromversorgung, beispielsweise vom Typ UCC14141-Q1, die unter anderem die Regelung und die Leistungsstufe sowie einen Übertrager und einen Gleichrichter enthält. Sie kann die positiven und negativen Gate-Treiberspannungen für SiC-FETs mit einer Genauigkeit von 1 % bereitstellen, um die Verluste in den SiC-FETs gering zu halten und so zur Vergrößerung der Reichweite beizutragen.

Gate-Treiber müssen intelligent sein, die Fähigkeit zur Regelung der Treiberstärke in jedem PWM-Zyklus mitbringen und zudem hohe Schaltgeschwindigkeiten unterstützen, damit die Vorteile der SiC-Halbleiter ausgeschöpft werden können. Verlangt werden ferner ein Überstromschutz und eine ganze Palette von Fehlermanagement-Features, damit Safety-Vorgaben bis ASIL D erfüllt werden. Der isolierte Gatetreiber des Typs UCC5880-Q1 wird nicht nur diesen Anforderungen gerecht, sondern wird überdies durch Designtools unterstützt, die ein zügiges Prototyping ermöglichen. In Bild 2 sind das Bias-Modul UCC14141-Q1 und der Gatetreiber UCC5880-Q1 in einem Power-Modul zu sehen.

Die elektronischen Systeme können im Betrieb zyklischen Vibrationen von 30 bis 50g sowie Temperaturen von über 150 °C ausgesetzt werden. Durch den Verbrennungsmotor von Hybridfahrzeugen können die Umgebungsbedingungen sogar noch harscher sein. Bei der Entwicklung hochintegrierter Traktionswechselrichter-Systeme wird deshalb angestrebt, die Abmessungen und die Masse so gering wie möglich zu halten, und tatsächlich tragen die Kompaktheit und das Fehlen beweglicher Teile dazu bei, die Anfälligkeit gegen Vibrationen und andere Umwelteinflüsse zu verringern.

Andererseits ergibt sich hieraus jedoch, dass sich die auftretenden Verluste auf eine noch kleinere thermische Masse konzentrieren, weshalb sich die umliegende Elektronik und die Bauelemente stärker erwärmen. Hinzu kommt die Forderung, die nötigen Luft- und Kriechstrecken für die verwendeten hohen Spannungen einzuhalten.

Die kommende Generation intelligenter elektrischer Antriebssysteme wird diesbezüglich neue Möglichkeiten erschließen, wie man an den neuen, höchst kompakten und hochgradig zuverlässigen Leistungselektronik-Bauelementen erkennen kann. (kr)

* John Martin ist Gründer und Direktor von Empel Systems. George Lakkas ist Automotive Product Marketing Engineer – Traction Inverters, High Power Drivers – Isolated bei Texas Instruments.

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