März 2017

Referenzdesign

Höchster Wirkungsgrad für Inverter

Gemeinsam mit Infineon Technologies hat TDK ein Design für xEV-Inverter entwickelt, das einen sehr hohen Wirkungsgrad im Bereich von 10 kW bis 150 kW von über 98 Prozent erzielt. Gelungen ist das durch die gute Abstimmung des Infineon IGBT-Moduls und den passiven EPCOS und TDK Bauelementen.

Das neue Infineon HybridPACK™ Drive IGBT-Modul zeichnet sich durch seine Kompaktheit und hohe Effizienz aus – entscheidende Kriterien für den Einsatz im Bereich der Elektromobilität. Der Typ FS820R08A6P2B ist für einen Strom von bis zu 820 A und einer Sperrspannung von 750 V ausgelegt und verfügt über eine Kühlplatte mit PinFin-Struktur für das Kühlmittel. Mit diesen Modulen lassen sich Antriebe mit einer Leistung von bis zu 150 kW realisieren. Wird weniger Leistung benötigt, kann alternativ der Typ FS660R08A6P2FB mit flacher Bodenplatte eingesetzt werden, der für einen maximalen Strom von 660 A ausgelegt ist, aber ein ansonsten identisches elektrisches Verhalten aufweist. Mit diesem Produktfamilienkonzept wird somit eine ausgezeichnete Skalierung für unterschiedliche Leistungsklassen in xEV- und Industrieapplikationen erzielt.

Verschiedene Modulrahmen wie zum Beispiel ohne Bohrung für Lastanschlüsse zur Schweißkontaktierung (FS820R08A6P2) oder lange Motor-Laschen (FS820R08A6P2LB) zur einfachen Stromsensor-Implementierung sind bereits in Serie in der Produktfamilie verfügbar.

Alle Module der Serie *R08A6P2* basieren auf der neuesten EDT2-IGBT-Chipgeneration von Infineon, die für Sperrschichttemperaturen von bis zu 175 °C im Schaltbetrieb ausgelegt ist. Der Chipsatz ist robust gegenüber Kurzschlüssen, bietet selbst unter rauesten Umwelteinflüssen eine sehr hohe Zuverlässigkeit und erzielt unter realen Einsatzbedingungen einen Wirkungsgrad von über 98 Prozent (siehe Abbildung 1). Optimiert ist das Modul für Schaltfrequenzen im Bereich von 6 kHz bis 10 kHz.

 

Abbildung 1: Gemessene Umrichterverlustleistungen mit dem Evaluation-Kit bei 8 kHz Schaltfrequenz. Die Effizienz des im Fahrprofil relevanten Leistungsbereichs von 10 kW bis 150 kW liegt bei über 98 Prozent (450 V Betriebsspannung, cos φ=0,85). Dies führt zu verbesserten Reichweiten in Plug-In- und Elektrofahrzeugen.

Dank der großen Abstände der Anschlüsse ergeben sich eine hohe Isolation sowie geringe Kriechströme, wodurch das Modul auch für hohe Spannungen, wie sie künftig verwendet werden sollen, geeignet ist. Abbildung 2 zeigt einen kompletten Inverter bestehend aus HybridPACK-Modul mit Kühlplatte, Controller- und Treiberboard sowie dem EPCOS PCC (Power Capacitor Chip) als Zwischenkreiskondensator.

 

Abbildung 2: Kompletter Motor-Inverter für Leistungen bis 150 kW. Wichtigstes passives Bauelement ist der EPCOS PCC als Zwischenkreiskondensator. Das komplette Design ist als Evaluation-Kit erhältlich.

Kompakte Lösungen für den Zwischenkreis

Für das Design kommen zwei EPCOS PCCs, die auch für andere HybridPack-Module verfügbar sind, in Frage. Der Typ B25655P5507K051 ist in der Stacked-Design-Technologie ausgeführt, für 500 V DC ausgelegt und kann mit einer Kapazität von 500 µF Dauerströme von bis zu 160 A verkraften. Der große Vorteil dieser Technologie liegt in dem hohen Füllfaktor von nahezu 1. Die Abmessungen betragen 154 x 72 x 50 mm3.

Der zweite Typ B25655P5407K1512 basiert auf dem kostengünstigen Flat-Design und hat wegen des geringeren Füllfaktors bei gleichen Abmessungen eine Kapazität von 400 µF bei Dauerströmen von bis zu 140 A. Beim Design-in muss unbedingt darauf geachtet werden, dass der Zwischenkreiskondensator bei maximaler Strombelastung ausreichend gekühlt wird.

Für ein gelungenes Inverter-Design sind die ESL- (Equivalent Series Inductance) und ESR-Werte (Equivalent Series Resistance) der Zwischenkreiskondensatoren entscheidend. Nur wenn die ESL-Werte hinreichend gering sind, kommt es beim Schalten der IGBTs zu keinen oder zumindest nur geringen Spannungsspitzen und Schwingungen. Bei den genannten PCCs liegt der ESL bei nur 15 nH. Die ESR-Werte, verantwortlich für die Verluste, liegen bei nur 0,5 mΩ bzw. 0,7 mΩ. Erreicht werden diese geringen Werte durch eine großflächige Busbar mit 6 Laschen, die in ihren Abmessungen exakt auf das HybridPACK-Modul abgestimmt sind (Abbildung 3). Mit modifizierten Busbar-Designs werden zukünftig Werte von kleiner 10 nH und kleiner 0,5 mΩ erreicht.

 

Abbildung 3: Die Busbar des EPCOS PCCs verfügt über 6 großflächige Laschen und sorgt für eine Minimierung der parasitären Beiwerte.

Die Fertigungslinien der genannten Kondensatoren entsprechen den Anforderungen für Automotive-Produkte, um höchste Zuverlässigkeit zu erzielen. Besonders wichtig ist dabei die Verschweißung der internen Busbar, da ihre Qualität wesentlich über die Stromtragfähigkeit und die Verlustleistung entscheidet. Neben der hohen Zuverlässigkeit bieten die EPCOS PCCs auch eine sehr gute EMV-Performance, wodurch Störungen im FM-Band um die 100 MHz gut gedämpft werden.

Galvanische Trennung – ein Muss in der Automobil-Elektronik

Das Treiberboard hat die Aufgabe, die jeweils drei Highside- und Lowside-IGBTs mit den erforderlichen Schaltsignalen an deren Gates zu versorgen. Wichtig dabei ist, dass zwischen der Treiberschaltung und den IGBTs eine ausreichende galvanische Trennung erfolgt, die im Fehlerfall ein Durchschlagen der Versorgungsspannung auf das Treiberboard und andere Elektronik verhindert. Entscheidendes Bauelement hierfür ist der Gate Driver Transformer. Abbildung 4 zeigt das zur Versorgung der isolierten IGBT-Treiber verwendete Schaltbild.

 



Abbildung 4: Der Gate Driver Transformer hat die Aufgabe, die galvanische Trennung zwischen Hoch- und Niedervoltseite sicherzustellen.


Bei diesem Design kommen 6 EPCOS Gate Drive Transformer des Typs B78307A2276A003 (P100403) zum Einsatz. Sie sorgen für die geforderte hohe Isolationsspannung von 2,5 kV (1 Minute, 50 Hz). Ihr Übersetzungsverhältnis liegt bei 1 : 1,08 und die Magnetisierungsinduktivität beträgt 100 µH. Trotz der hohen Spannungsfestigkeit konnte der Übertrager mit kompakten Abmessungen von nur 11,7 x 13,5 x 11,35 mm3 (L x B x H) realisiert werden. Die Kriechstromstrecke zwischen Primär- und Sekundärseite beträgt 6 mm und ist somit für Umrichter mit 500 V Arbeitsspannung im Dauerbetrieb bestens geeignet.

Störungsfreie Logik

Das Controllerboard übernimmt die Steuerung des gesamten Inverters. Herzstück ist ein 32-Bit-Mikrocontroller TC277 aus der Automotive-AURIX™ Familie von Infineon. Damit die Logik störungsfrei arbeitet, sind an den Schnittstellen die TDK CAN-BUS-Gleichtaktdrosseln der Serie ACT45B-101-2P-TL003 eindesigned. Sie weisen bei einer Frequenz von 10 MHz eine Gleichtaktimpedanz von 5,8 kΩ auf und sorgen damit für einen störungsfreien Datenverkehr. Die nach AEC-Q200 qualifizierten Drosseln gehören mit Abmessungen von nur 4,5 x 3,2 x 2,8 mm3 zu den weltweit kleinsten ihrer Art. Zur weiteren Störunterdrückung in den Signalleitungen dienen die TDK Chip Beads der Serie MMZ1608R600AT.

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