Neuentwicklungen im Hochvoltbereich bei traditionellen ebenso wie bei Hybrid-/ Elektrofahrzeugen (H/EV) sowie entsprechend anspruchsvolle Power-Management-Aufgaben haben die Situation auf den Kopf gestellt. Folgerichtig reagierten die Anbieter von Leistungselektronikbausteinen darauf mit für diese raue Umgebung optimierten IGBT-Entwicklungen. Derzeit wird der automobile IGBT-Einsatz vor allem durch Hochdruck-Entladungslampen (HID) im Scheinwerfer sowie durch hochgenaue Kraftstoff-Einspritzsysteme sowohl in Pkw als auch in Nutzfahrzeugen vorangetrieben, deren Antriebe und Regelungen bei Spannungen über 100 V arbeiten. Darüber hinaus werden aber die Ansprüche an die Effizienz von Regelschaltungen in Hybrid-/Elektrofahrzeugen, die Spannungen bis nahezu 1.000 V benötigen, die Anforderungen und die Nachfrage weiter steigern. Voraussetzung war auch eine verbesserte Lebensdauer der Leistungsbausteine. So berichtete Dr. Anton Mauder von Infineon auf der 15. Euroforum-Jahrestagung „Elektronik-Systeme im Automobil“ über erfolgreiche Maßnahmen, wie sich die Lebensdauer von IGBTs – die durch thermisch dominierte Ermüdungserscheinungen bestimmt wird – sowohl durch Modulaufbau, durch Montagetechniken und entsprechend dimensionierte Bodenplatten als auch durch eine Reduktion der Temperaturhubs maßgeblich steigern lässt.
* Infineon
IBGTs für effizienteren Verbrauch
In Vorschaltgeräten von HID-Lampen werden IGBTs im Allgemeinen in einer H-Brücken-Konfiguration eingesetzt; sie verwalten den Lampenbetrieb über die gesamte Zeit von der Zündung über die Aufwärmperiode bis hin zum Normalbetrieb. Bei Direkteinspritzsystemen hingegen regeln IGBTs die Hochspannungs-Piezo-Aktuatoren. Diese sorgen bis zu siebenmal pro Sekunde für eine Kraftstoffeinspritzung, und das mit einer so hoch optimierten Verteilung und Dichte, dass ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung heute mit einer Brennstoffeffizienz glänzen kann, die der von Benzin-HEVs vergleichbar ist. Die optimale IGBT-Leistung hängt sehr von geeigneten Hochvolt-Treiber-ICs ab, die auf Sicherheit und Zuverlässigkeit ausgelegt sind. Da ist es für die Entwickler am bequemsten, wenn die Kombination von Treiber und IGBT-Schalter bereits herstellerseitig gepaart ist. Beispielsweise bietet International Rectifier verschiedene Treiber-ICs und zugehörige Automotive-IGBTs an.
Weicher schalten
Die Halbleiterentwickler versuchen heutzutage zudem, den IGBTs und Freilaufdioden eine an die Anwendungsbedingungen angepasste inhärente weiche Schaltcharakteristik zu verleihen, damit sie besser gesteuert werden können. Für die Realisierung solch optimierter Leistungshalbleiter ist die Kombination von Softness und Robustheit sowie die Reduzierung von Durchlass- und Schaltverlusten immer eine große Herausforderung, da sie teils gegensätzliche Anforderungen an das Zelldesign eines Bauelements stellen. Über die erwähnten Hochvoltanwendungen in herkömmlichen Autos hinaus werden kommende HEV-Generationen ein wesentlich weiteres Aufgabenspektrum beim Schalten unter hohen Spannungen für die IGBTs mit sich bringen. Diese verfügen dann zum Großteil über eine Hochspannungsversorgung, die von knapp über 100 V in so genannten „Mild-Hybrid-Fahrzeugen“ auf mehr als 800- oder 900-V-Batterien bei anderen Arten reichen. Die IGBT-Durchbruchspannung muss dabei meist bei ungefähr 600 oder 650 V liegen; sie kann bei Voll-Hybrid-, Plug-in-Hybrid- oder vollelektrischen Fahrzeugen bis auf 1.200 V ansteigen. Die höchsten Ansprüche ans Power-Management stellt dabei der zentrale Umrichter; dieses bidirektionale AC/DC-System ist für die Hauptantriebsmotoren des Antriebsstrangs zuständig. Der Umrichter steuert den Elektromotor an und muss im Motorbetrieb gelegentlich mehr als 100 kW bereitstellen, um das Fahrzeug lediglich mit Batteriespannung zu betreiben. Im Generatorbetrieb setzt derselbe Umrichter den Motor als Generator/Lichtmaschine ein und nutzt so die beim Bremsen oder Verlangsamen entstehende kinetische Energie zum Aufladen der Batterie. Außerdem sind natürlich noch einige periphere Motorantriebe vorhanden, zum Beispiel für den Kompressor der Klimaanlage sowie für die Servolenkung. Da die Motorleistung normalerweise im Bereich 1 bis 5 kW liegt, können Hochspannungsantriebe im Vergleich zum direkten 12-V-Betrieb mit entsprechend sehr viel höheren Strompegeln zur Verbesserung des Wirkungsgrads beitragen. Ein sauberes Management des Energieflusses zwischen den verschiedenen Systemen, den Hochvoltschaltkreisen sowie dem 12-V-Versorgungsnetz setzt durchdachte Techniken voraus. Deshalb werden IGBTs auch als Leistungsschalter in hoch leistungsintensiven DC/DC-Wandlern benötigt, die Energie zwischen der 12-V-Spannungsversorgung und der Hochspannungsbatterie in die eine oder andere Richtung übertragen.
Elektrofahrzeuge laden
Außerdem sind Plug-in-Hybride und Elektroautos zur Aufnahme großer Batterien ausgelegt. Diese können genug Energie speichern, um den Wagen mit reiner Batterieversorgung über eine weitere Strecke zu befördern. Folglich brauchen diese Systeme ein Ladesystem, das innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums große Energiemengen von der heimischen Steckdose oder öffentlichen Ladestationen an die Fahrzeugbatterie überträgt. Hier finden ebenfalls AC/DC-Wandler als Ladegeräte Verwendung, welche die AC-Leistung an eine DC-Leistungsquelle übertragen und so die Fahrzeugbatterie aufladen. Angesichts dieser neuen Hochvolt- und Hochstromapplikationen im Auto müssen sich auch die IGBT-Technologien weiterentwickeln, um zu energieeffizienten Kraftfahrzeugen mit niedrigen Emissionswerten beizutragen. Zwar sind die Standards für HEVs noch weit von der Finalisierung entfernt, doch lassen sich bereits jetzt Siliziumprozess-Plattformen für IGBTs definieren, die den wichtigsten Anforderungen genügen, die nach derzeitigem Wissensstand zu erwarten sind.
Anpassung an Applikationen
Der IGBT als hochentwickelter Baustein kann zur Anpassung an applikationsspezifische Aufgaben auf vielfältige Weise optimiert werden. Beispielsweise unterteilen sich die Ansprüche von HEVs an die Schaltleistung in drei Kategorien: Schalten unter 1 kHz für Einspritz-, Zünd- und HID-Systeme, zwischen 5 und 10 kHz für Wechselrichter für Motorantriebe sowie über 10 kHz für Stromversorgungen, DC/DC-Wandler und Ladegeräte. Beim Schalten unter 1 kHz sollte der ideale Baustein so gewählt werden, dass die Durchlassverluste minimiert werden. Bei schnell schaltenden Anwendungen in Stromversorgungen hat der Schaltwirkungsgrad erste Priorität, und im Bereich 5 bis 10 kHz sollten die IGBTs möglichst einen optimalen Kompromiss zwischen Schalt- und Durchlassverlusten in diesem Frequenzbereich sicherstellen. Die applikationsspezifischen Aufgaben lassen sich freilich mit einer ausreichend flexiblen IGBT-Produktfamilie abdecken, wie sie etwa International Rectifier mit ihrer Trench-IGBT-Plattform anbietet. Dabei verbessert ein niedriger Einschaltwiderstand (VCEon) in Verbindung mit geringen Schaltverlusten den Wirkungsgrad erheblich und erlaubt eine hohe Leistungsdichte über eine breite Palette von Schaltfrequenzen hinweg. Hinzu kommen eine gute Stromteilung im Parallelbetrieb, ein robustes Transientenverhalten, das durch einen rechteckigen sicheren Reverse-Bias-Arbeitsbereich (RBSOA) zu hoher Zuverlässigkeit führt, ein bis ≥10 µs kurzschlusssicherer SOA sowie ein Puls- und induktiver Laststrom, der bis viermal höher ist als der maximale Nennstrom. Darüber hinaus verhindert ihr hohes Gate-Emitter-zu-Gate-Kollektor-Verhältnis ein dV/dt-Nachtakten in schnell schaltenden Anwendungen.
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