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Länder auf der ganzen Welt wollen den Verkauf von Benzin- und Dieselautos in den kommenden Jahren beenden, manche sogar schon 2030. Daher erwarten die Marktforscher von Statista, dass die Umsätze im Markt für Elektrofahrzeuge (EV) in den nächsten vier Jahren ein beeindruckendes jährliches Wachstum (CAGR) von 17% aufweisen werden, was zu einem prognostizierten Marktvolumen von 858 Mrd. US-$ bis 2027 führt.
Angesichts dieser Vorhersagen sind nicht nur die Fahrzeughersteller und deren Zulieferer, sondern auch verschiedene Transportbranchen damit beschäftigt, ihre größten betrieblichen Veränderungen seit Jahrzehnten umzusetzen. Dies bringt eine Reihe von Herausforderungen beim Bau von E-Antriebssträngen mit sich. Für die meisten Fahrzeugentwickler stellen E-Antriebe Neuland dar, das erhebliche Ressourcen und Zeit erfordert, um sichere und effiziente Lösungen zu entwickeln. Genau hier bietet Siliziumkarbid (SiC) enorme Vorteile.
Das Problem bei Elektrofahrzeugen ist immer die Reichweitenangst. Zwar liegt hier der Schwerpunkt auf der Batteriekapazität, aber auch der Antriebsstrang und die Fahrzeugelektronik müssen sich als hocheffizient erweisen und unter anspruchsvollen Bedingungen optimale Leistung erbringen. Deshalb zieht SiC die Aufmerksamkeit auf sich, was von führenden Experten bestätigt wird. Das britische Advanced Propulsion Centre führt zum Beispiel auf, dass der Wechsel von Silizium (Si) zu Leistungselektronik auf SiC-Basis den Wirkungsgrad um etwa 10% erhöht.
Die Eigenschaften von SiC ermöglichen auch die Entwicklung von Leistungselektroniksystemen mit beträchtlichen Einsparungen bei Größe, Gewicht und Formfaktor. Trotz all dieser Vorteile ist zu beachten, dass sich die Arbeit mit SiC vom Einsatz herkömmlicher Silizium-MOSFETs oder IGBTs unterscheidet. Die meisten dieser Unterschiede betreffen den Einsatz spezieller Techniken, die einen sicheren Betrieb bei hohen Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen.
Um die Entwicklungskosten zu senken und die Markteinführung zu beschleunigen, sind vollständig integrierte Lösungen erforderlich. Die SiC-Traktionswechselrichter-Entwicklungsplattform von CISSOID erfüllt diese Anforderungen und unterstützt E-Antriebe bis 850 V und 350 kW. Zu den wesentlichen Komponenten dieses Referenzdesigns gehören: ein 3-Phasen-1200V-IPM (Intelligent Power Module) mit einem leistungsstarken und temperaturbeständigen Gate-Treiber, der vollständig für SiC-Anwendungen optimiert ist; eine E-Motor-Steuerplatine und anpassbare Software; DC- und Phasenstromsensoren; ein kompakter Flüssigkeitskühler; ein speziell entwickelter hochdichter DC-Link-Kondensator und EMI-Filter.
High-Voltage-SiC-Wechselrichter-Referenzdesign von CISSOID
Jeder dieser Drop-in-Bausteine spielt eine wichtige Rolle, um die Leistungsfähigkeit und Modularität der Plattform sicherzustellen.
Das flüssigkeitsgekühlte 3-Phasen-1200V-SiC-MOFSET-IPM von CISSOID bietet alle Vorteile der SiC-Technologie und hilft Entwicklern, durch geringe Schaltverluste und Hochtemperaturbetrieb eine hohe Leistungsdichte zu erzielen. Das SiC-IPM-Angebot von CISSOID bietet Modularität für wechselnde Spannungs-/Stromanforderungen und besteht aus Modulen mit einer maximalen Dauerstromfähigkeit von 340 bis 550 A. Die IPMs bestehen aus drei SiC-MOSFET-Halbbrücken und reduzieren die Schaltverluste im Vergleich zu modernen IGBT-Leistungsmodulen um mindestens den Faktor drei.
3-Phasen-1200V/340A-550A-IPM (Intelligent Power Module) von CISSOID
Um die Vorteile schnell schaltender und verlustarmer SiC-MOSFETs voll ausnutzen zu können, benötigen Entwickler einen schnellen, leistungsstarken und robusten Gate-Treiber. Die Integration eines Gate-Treibers in ein Leistungsmodul bietet direkten Zugang zu einer vollständig validierten und optimierten Lösung hinsichtlich Schaltgeschwindigkeit und Verlusten, Robustheit gegenüber dI/dt und dU/dt sowie Schutz der Leistungsstufen.
Der optimierte Gate-Treiber von CISSOID bietet einen hohen Spitzenstrom von mehr als 10 A und ist gleichzeitig bis zu einer Umgebungstemperatur von 125 °C betriebsfähig. Er trägt also dazu bei, die Anzahl der erforderlichen Iterationen zu minimieren, um perfekte Modulleistung und perfektes Wärmemanagement zu erzielen.
Die Fähigkeit von SiC-Leistungsmodulen, schneller zu schalten und mit höheren Frequenzen zu arbeiten, erfordert Controller, die Echtzeitalgorithmen schneller ausführen können.
Basierend auf der OLEA® T222 FPCU von Silicon Mobility hat CISSOID ein Board entwickelt, das Echtzeitverarbeitung, Steuerung und funktionale Sicherheit (ISO 26262 ASIL-D-fähig) für Motorsteuerungen in EVs bietet. Die Steuerungshardware und -software verarbeitet Signale von Motorpositions-, Strom- und Temperatursensoren. Insbesondere die mechanische und elektrische Integration zwischen Steuerplatine und IPM beseitigt für Entwickler eine weitere Hürde.
Die Plattform lässt sich in die Steuerungssoftware OLEA APP INVERTER von Silicon Mobility integrieren, während Entwickler die OLEA-COMPOSER-Entwicklungstools nutzen können, um den Zeitaufwand für die Entwicklung und Optimierung der Motorsteuerungssoftware zu verkürzen.
Steuerungssoftware OLEA APP INVERTER von Silicon Mobility
Es gibt noch zwei weitere Entwicklungsaspekte: Erstens bietet CISSOID ein 3D-gedrucktes Kühler-Referenzdesign zur Kühlung und schnellen Evaluierung des IPM. Zweitens hat das Unternehmen zusammen mit NAC Semi und Advanced Conversion einen kompakten DC-Link-Kondensator mit niedrigen Induktivitäts- und ESR-Werten entwickelt, der Entwicklern die Freiheit gibt, die schnellen Schaltfähigkeiten von SiC-MOSFETs zu nutzen.
SiC-Wechselrichterplattform von CISSOID mit SiC IPM, Steuerplatine, kompaktem Flüssigkeitskühler und DC-Link-Kondensator mit niedrigem ESL
Die modulare Hardware- und Softwareplattform von CISSOID ermöglicht also die Entwicklung äußerst kompakter, effizienter und sicherer SiC-basierter Traktionswechselrichter oder aktiver Gleichrichter in nur wenigen Monaten. Im Vergleich zu herkömmlichen OEM-Zeitplänen spart dies bei der Entwicklung von SiC-Wechselrichtern ein bis zwei Jahre an Zeit ein.
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Über CISSOID
CISSOID ist ein führender Anbieter von Leistungshalbleitern, der mehrphasige Hochstrom-Schalt- und Motorsteuerungssysteme für eine breite Palette von Leistungsanforderungen liefert. Deren Lösungen reichen von einem System-on-Chip bis hin zu kompletten SiC- und GaN-basierten Wechselrichterplattformen, die eine ständig wachsende Zahl von E-Mobilitäts- und Hochleistungsanwendungen unterstützen. Das Fachwissen von CISSOID im Bereich der Auslegung von Leistungshalbleitern, Gate-Treibern und des Gehäuses für hohe Ströme und Temperaturen ermöglicht es ihren Kunden die Herausforderungen der ständig steigenden Leistungsdichten zu meistern.
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