Antriebselektronik für Elektrofahrzeuge Neuer SiC-Gatetreiber macht mehr EV-Reichweite möglich

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Ein neu vorgestellter Gatetreiber soll laut Angaben des Herstellers Texas Instruments die Entwicklung sichererer, effizienterer Traktionswechselrichter ermöglichen, mit denen sich die Reichweite von Elektrofahrzeugen um bis zu 1.600 km pro Jahr steigern lässt.

Auf der Fachmesse PCIM in Nürnberg hat Texas Instruments den hoch integrierten, isolierten Gatetreiber UCC5880-Q1 vorgestellt. Laut Angaben des Unternehmens ermöglicht der Baustein effizientere Traktionswechselrichter und wird zugleich den Belangen der funktionalen Sicherheit gerecht.

Bei der Entwicklung von Antriebssträngen für Elektrofahrzeuge (EVs) sorge der mit verstärkter Isolierung aufwartende Gatetreiber dafür, dass die Leistungsdichte steige und die Reichweite von EVs maximiert werde. Außerdem ließen sich sowohl die Designkomplexität als auch die Kosten verringern, während gleichzeitig die Sicherheits- und Performance-Vorgaben umgesetzt werden.

Solche Innovationen bei den in Traktionswechselrichter-Systemen verbauten Halbleitern können über eine Optimierung der Reichweite zu der angestrebten weiteren Verbreitung von Elektrofahrzeugen beitragen. Denn mithilfe des Automotive-tauglichen und ISO-26262-konformen UCC5880-Q1 sollen Automobilhersteller sicherere, effizientere und zuverlässigere Traktionswechselrichter auf der Basis von Siliziumkarbid-Transistoren (SiC) bzw. IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) entwickeln können.

Gate-Treiberstrom in Echtzeit variierbar

Kennzeichnend für den neuen Baustein sind ein in Echtzeit variierbarer Gate-Treiberstrom, eine SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface) sowie SiC-Überwachungs- und Schutzfunktionen und Diagnosen für die funktionale Sicherheit. „Beim Design von Hochspannungs-Applikationen wie etwa Traktionswechselrichtern ergeben sich ganz spezielle Herausforderungen, wenn der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Systems trotz beengter Platzverhältnisse optimiert werden sollen“, sagt Wenjia Liu, Product Line Manager für Hochleistungs-Treiber bei TI. „Dieser neue isolierte Gatetreiber kann nicht nur die Reichweite maximieren, sondern bringt auch integrierte Sicherheits-Features mit, sodass weniger externe Bauteilen benötigt werden und das Design weniger komplex ist.“

Zudem lässt sich der Treiber problemlos mit anderen Leistungswandlerprodukten für hohe Spannungen des Herstellers kombinieren, wie beispielsweise dem isolierten Bias-Supply-Modul UCC14141-Q1. So können Entwickler die Leistungsdichte und Absolutleistung von Traktionswechselrichtern steigern.

Maximale EV-Reichweite bei reduzierter Komplexität

Die Forderungen nach mehr Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit bei Elektrofahrzeugen nehmen ständig zu, denn ein höherer Wirkungsgrad wirkt sich direkt auf die mit einer Ladung mögliche Fahrstrecke aus. Gerade diese Anhebung des Wirkungsgrads aber gestaltet sich schwierig, denn die Mehrzahl der Traktionswechselrichter arbeitet bereits jetzt mit einem Wirkungsgrad von 90 % oder mehr.

Indem die Gate-Treiberstärke in Echtzeit stufenweise zwischen 20 A und 5 A variiert wird, lässt sich der Systemwirkungsgrad mithilfe des UCC5880-Q1 um bis zu 2 Prozentpunkte steigern, da die Schaltverluste in den SiC-Bauelementen sinken. Laut Angaben von Texas Instruments kann ein Elektrofahrzeug folglich mit einer Ladung um ca. 11 km weiter fahren, was bei drei Ladevorgängen in der Woche eine zusätzliche jährliche Fahrstrecke von fast 1.600 km ergibt.

Referenzdesign für schnelle Entwicklung

Die Programmierbarkeit des UCC5880-Q1 über die SPI-Schnittstelle und seine integrierten Überwachungs- und Schutzfunktionen können sowohl die Schaltungskomplexität als auch die Kosten für externe Bauelemente verringern. Vorserien-Stückzahlen des UCC5880-Q1 sind ab sofort in einem 10,5 x 7,5 mm SSOP-Gehäuse mit 32 Pins verfügbar – und auch ein dediziertes Evaluationsmodul für den Baustein.

Mithilfe eines „SiC EV Traction Inverter Reference Designs“ können Entwickler den Bauteileaufwand weiter reduzieren und ein effizienteres Traktionswechselrichter-System zügig als Prototyp realisieren. Dieses individuell anpassbare, geprüfte Referenzdesign verfügt neben dem UCC5880-Q1 auch über ein Power-Modul für die Bias-Versorgung, einen Mikrocontroller sowie Sensorik.

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