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Aug 03, 2023

Von Gate-Treibern zu E

Nach einem beispiellosen Verkaufsjahr 2022 ist die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen gestiegen

Nach einem beispiellosen Verkaufsjahr 2022 wird die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen in Zukunft voraussichtlich nur noch zunehmen. Da die Benzinpreise astronomische Höhen erreichen, bieten Elektrofahrzeuge eine sowohl wirtschaftliche als auch nachhaltige Alternative.

Da die Nachfrage nach diesen Fahrzeugen steigt, müssen Konstrukteure mit elektrischen Komponenten arbeiten, die Hochspannungen schnell, sicher und effizient schalten können. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenfassung einiger kürzlich veröffentlichter Komponenten und Tools, die Entwicklern dabei helfen sollen, die strengen Sicherheits-, Effizienz- und Leistungsanforderungen zukünftiger Elektrofahrzeugdesigns zu erfüllen.

Kürzlich stellte Texas Instruments den SiC-Gate-Treiber UCC5880-Q1 für IGBTs und Traktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge vor. Der Gate-Treiber isoliert die Hochspannungs-Motorschaltung, die mit dem Ausgang des Traktionswechselrichters verbunden ist, von den elektrischen Niederspannungskomponenten in der Nähe des Eingangs. Ohne Isolierung könnte eine Stromspitze, die durch die in den Motorschaltkreisen verwendeten Hochspannungen verursacht wird, die Niederspannungskomponenten schwer beschädigen.

Eine der wesentlichen Neuerungen des UCC5880 ist auch die bidirektionale SPI-Kommunikationsschnittstelle. Dadurch kann das System die Antriebsstärke (und damit die Anstiegsgeschwindigkeit des SiC) variieren und die Gesamteffizienz und Schaltgeschwindigkeit optimieren, indem es das vorübergehende Überschwingen des Gates verwaltet.

TI behauptet, dass die Systemeffizienz um bis zu 2 % verbessert werden kann, da Entwickler mit dem UCC5880 die Gate-Treiberstärke in Echtzeit zwischen 20 A und 5 A variieren können. Diese Effizienz kann dazu führen, dass ein Elektrofahrzeug mit einer Batterieladung sieben Meilen mehr fahren kann und 1.000 Meilen pro Jahr mehr, wenn ein Elektrofahrzeugfahrer sein Auto dreimal pro Woche auflädt.

Microchip zielt mit einem anderen SiC-basierten Ansatz auf die Effizienz des EV-Designs ab. Das E-Fuse-Demonstratorboard des Unternehmens nutzt die schnellen Schaltfähigkeiten von SiC, um Fehlerströme aufgrund seiner Hochspannungs-Festkörperbeschaffenheit in Mikrosekunden zu unterbrechen (ungefähr 100–500 Mal schneller als mechanische Techniken). Diese schnelle Reaktionszeit mildert schwerwiegende Ausfälle, indem die Spitzenkurzschlussströme von mehreren zehn Kiloampere auf Hunderte von Ampere reduziert werden. Der Demonstrator ist in sechs Varianten für 400-V-800-V-Batteriesysteme mit einem Nennstrom von 30 A erhältlich.

Laut Microchip können Designer mit den Reset-Funktionen des E-Fuse Demonstrators Einschränkungen im Hinblick auf die Wartungsfreundlichkeit umgehen. Diese Funktionen optimieren die Fahrzeugverpackung für eine verbesserte Verteilung des BEV/HEV-Stromversorgungssystems. Der Demonstrator umfasst außerdem eine integrierte LIN-Kommunikationsschnittstelle (Local Interconnect Network), um die Entwicklungszeit für SiC-basierte Hilfsanwendungen zu beschleunigen. Mit dieser Schnittstelle können Entwickler auf den Diagnosestatus zugreifen und Überstrom-Auslöseeigenschaften konfigurieren, ohne Hardwarekomponenten zu ändern.

Auch Onsemi konzentriert sich auf die Effizienz von Elektrofahrzeugen mit einem neuen SiC-Produktportfolio, das bis zu 1200 V bewältigen soll – eine deutliche Steigerung gegenüber früheren Produktfamilien. Zu diesem neuen Portfolio gehören EliteSiC-MOSFETs und -Module für höhere Schaltgeschwindigkeiten, die in 800-V-On-Board-Ladegeräten für Elektrofahrzeuge und in Anwendungsfällen in der Energieinfrastruktur üblich sind. Dazu gehören Solar- und Energiespeichersysteme sowie das Laden von Elektrofahrzeugen.

Onsemi hat mit seinem neuen Portfolio auch industrielle Anwendungen im Blick – und zwar mit den neuen EliteSiC M3S-Geräten in leistungsintegrierten Halbbrückenmodulen mit einem „branchenführenden niedrigsten RDS(on)“. Die Geräte werden als „hochintegriert“ beschrieben und verfügen über direkt verbundene Kupferkonstruktionen, um die Stromaufteilung und Wärmeverteilung zwischen parallelen Schaltern auszugleichen, eine wünschenswerte Funktion in DC-AC-, AC-DC- und DC-DC-Hochleistungswandlungsstufen.

Die 1200-V-EliteSiC-MOSFETs sind für die Automobilindustrie zugelassen und für Hoch-Niederspannungs-DC/DC-Wandler und Hochleistungs-Bordladegeräte mit bis zu 22 kW ausgelegt.

Mehrere Eigenschaften von SiC (Siliziumkarbid) machen es im Vergleich zu anderen Halbleiterverbindungen für Anwendungen in Elektrofahrzeugen geeignet. Dazu gehören seine hohe Wärmeleitfähigkeit, Durchbruchspannung, Bandlückenenergie und Elektronenmobilität. Die hohe Durchbruchspannung und Bandlückenenergie von SiC eignen sich gut für Hochspannungsdesigns, während eine bessere Elektronenmobilität und Wärmeleitfähigkeit schnellere Schaltgeschwindigkeiten und Wärmeübertragung ermöglichen.

Diese Leistungsvorteile sind angesichts der Anzahl der Hochspannungssysteme in einem Elektrofahrzeug erheblich: Denken Sie an die Hochspannungs-Gleichstrombatterie, einen Wechselstrommotor zum Antrieb der Räder, elektrische Gleichstromkomponenten für Innen- und Außenfunktionen (wie das Infotainmentsystem und die Scheinwerfer). und ein thermisches Kühlsystem. In solchen Systemen wandelt ein DC-DC-Abwärtswandler die hohe Hauptbatteriespannung für andere DC-Komponenten mit niedrigerer Spannung herunter. Ein Traktionswechselrichter wandelt die Gleichspannung der Batterie in eine Wechselspannung für den Motor um. Und ein Traktionswechselrichter mit Insulated-Gate-Bipolartransistoren (IGBTs) kann schnell schalten und Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln.

Schließlich müssen alle Hochspannungskreise im System geschützt werden, da die DC-Batteriespannung im Allgemeinen sehr hoch ist (>400 V). Ohne einen solchen Schutz könnte ein Kurzschluss zu schweren Schäden an diesem System führen.

Angesichts dieser strengen Einschränkungen ist es kein Wunder, dass Halbleiterhersteller wie TI, Microchip und Onsemi auf SiC setzen, unabhängig davon, ob sie Hochspannungs-MOSFETs oder Demonstratortools für Tests entwickeln.