Hochspannungslösungen für Hybrid- und E-Fahrzeuge

Die dabei verwendeten Vollbrücken-Topologien werden mit IGBTs bestückt, die in der Regel mit Spannungen zwischen 600 V und 1.200 V betrieben werden. Wegen des hohen Leistungs- und Spannungsniveaus kommen in einem Dreiphasen-Wechselrichter sechs isolierte Gatetreiber zum Einsatz (Bild 2). Jede Phase enthält je einen high- und low-seitigen IGBT-Schalter, der meist mit 5 kHz bis 20 kHz betrieben wird. Diese Schalter beaufschlagen die Motorwicklungen abwechselnd mit positiven und negativen DC-Impulsen hoher Spannung.

Für die Ansteuerung von Hochleistungs-IGBTs sind isolierte Gatetreiber erforderlich. Dabei ist jedem IGBT ein eigener isolierter Gatetreiber zugeordnet. Zwischen dem Hochspannungs-Ausgang des Gatetreibers und seinem vom Controller angesteuerten Niederspannungs-Steuereingang besteht eine galvanische Isolation. Außerdem müssen die Gatetreiber über integrierte Schutzfunktionen verfügen (z. B. Entsättigungs- und Kurzschlusserkennung).

Isolierte Gatetreiber können unter geringer Treiberstärke leiden, besonders wenn die Schalter nur für Treiberströme von weniger als 2 A geeignet sind. Antriebs-Anwendungen erfordern traditionell diskrete npn-pnp-Schaltungen zur Anhebung des Treiberstroms. Auf dem Markt werden zahlreiche Gatetreiber-ICs als Ersatz für diskrete Lösungen angeboten.

Ebenso wie bei den OBCs für Leistungen von mehr als 6,6 kW gibt es auch bei den Traktionswechselrichter-Subsystemen einen Trend zur Verwendung von SiC-Leistungshalbleitern. Da in Traktionswechselrichtern deutlich höhere Leistungen vorkommen als in OBCs, ist ein SiC-Power-Modul aktuell die Lösung der Wahl. Mit SiC-Power-Modulen lassen sich parasitäre Effekte wie etwa Oszillationen reduzieren, ganz abgesehen von der Verbesserung der Schaltgeschwindigkeit und der Leistungsdichte.

Zusammenfassung

Der Einsatz von hohen Spannungen und Schaltnetzteilen mit Leistungselektronik in Systemen zur Antriebsstrang-Elektrifizierung bringt viele Vorteile mit sich, und zwar speziell in OBC-Lösungen und Traktionswechselrichter-Subsystemen. Für das Design dieser Systeme gibt es eine Reihe gängiger Topologien. Bei den Halbleiterschaltern, Controllern und Gatetreibern für diese Anwendungen besteht ein Trend zur Verwendung von Wide-Bandgap-Halbleitern wie etwa SiC, die besser mit hohen Temperaturen zurechtkommen, Platz und Gewicht sparen und die Effizienz des Antriebsstrangs verbessern.

Die Revolutionierung des Auto-Cockpits

* Nagarajan Sridhar ist Strategy und Business Development Manager im Bereich Automotive and Isolated Driver Solutions sowie High Voltage Power bei Texas Instruments

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