Modulare und leistungsstarke SiC-Traktionswechselrichter Elektrifizierung über das Auto hinaus

Neben den Kraftfahrzeugen gibt es noch weitere erhebliche Emittenten, welche an den Treibhausgasemissionen beteiligt ist. Über 55 Prozent der Emissionen von Verbrennungsmotoren fallen nicht auf die Autos zurück. Die Elektrifizierung dieser Sektoren könnte eine signifikante Rolle im Kampf gegen den Klimawandel spielen.

Güterverkehr, Gelände- und Industriefahrzeuge, Schiffsverkehr und die Luftfahrt tragen mit mehr als 55 Prozent [1] zu den gesamten Treibhausgasemissionen von Verbrennungsmotoren bei. Die Elektrifizierung dieser Antriebsstränge könnte im Kampf gegen den Klimawandel einen großen Unterschied machen. Die große Anzahl der weltweit im Einsatz befindlichen Antriebe geht jedoch mit einer großen Vielfalt an Typen und Plattformen einher.

Um schnell neue elektrische Antriebe zu entwickeln, brauchen Ingenieure umfassende Unterstützung. Die Unterschiede sind nicht nur physischer Natur, was Größe, Form und Gewicht angeht. Die Anforderungen an die funktionale und elektrische Sicherheit sowie die Umgebungsbedingungen sind zum einen im hohen Maße von den Anwendungen und geografischen Märkten abhängig, zum anderen muss man aber auch berücksichtigen dass die Wettbewerbssituation eine schnelle Markteinführung erfordert.

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Für mehr Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit ist Siliziumkarbid (SiC) die Leistungshalbleitertechnologie der Wahl. Die Reichweitenangst ist ein Grund dafür, dass sich der Pkw-Markt von Silizium weg und hin zu energieeffizienterem SiC bewegt hat. Fahrzeuge wie Busse verkehren auf bekannten Strecken, während Geländefahrzeuge relativ kurze Distanzen zurücklegen. Bei diesen Anwendungen ermöglicht die hohe Betriebsspannung von SiC ein schnelleres Aufladen für kürzere Umlaufzeiten, und die Fähigkeit, bei hohen Temperaturen zu arbeiten, trägt zur maximalen Zuverlässigkeit bei. SiC Module benötigen zudem weniger Bauelemente, um sich die Last zu teilen. Außerdem können SiC-MOSFETs im Verhältnis zur Durchbruchspannung kleiner als ihre Silizium-Pendants sein. Daher fallen auch die Module kleiner aus.

SiC-Leistungsbauelemente sind jedoch kein direkter Ersatz für Silizium-MOSFETs oder IGBTs. Es ist nicht einfach, ein Gate so zu steuern, dass schnelle und reibungslose Schaltvorgänge bei hohen Frequenzen gewährleistet sind. Weitere Herausforderungen sind die Integration der Hardwarekomponenten, insbesondere des Wechselrichters und des intelligenten Leistungsmoduls (IPM), sowie das Einrichten und Kalibrieren der Motorsteuerungssoftware.

Schnellere Entwicklung

Um die Entwicklungsherausforderungen zu bewältigen und die Markteinführung robuster und zuverlässiger SiC-Leistungsmodule (Bild 1) zu beschleunigen, stellt Cissoid eine SiC-Traktionswechselrichterplattform und ein Referenzdesign bereit. Hersteller von Antrieben können damit Systeme erstellen, die sich mit Batteriespannungen von bis zu 850 V betreiben lassen. Die Hardware ist modular und skalierbar, um Designs mit verschiedenen Nennleistungen zu erstellen.

Das Referenzdesign löst Aspekte des Wechselrichters, die bekanntermaßen schwierig und zeitaufwändig zu korrigieren sind. Zu den wesentlichen Bestandteilen gehört ein 3-phasiges 1.200 V-IPM (Intelligent Power Module), welches bereits mit einem für SiC-Anwendungen optimierten Gate-Treiber ausgestattet ist, der für hohe Temperaturen ausgelegt ist (Bild 2). Der Treiber liefert Gate-Spitzenströme von über 10 A und kann bei Umgebungstemperaturen von bis zu 125 °C betrieben werden.

Da der SiC-Gate-Treiber bereits in das Leistungsmodul integriert ist, können Nutzer direkt mit der eigenen Lösungsstrategie beginnen. Das Design ist bereits validiert und ist für schnelle Schaltgeschwindigkeiten und geringe Verluste optimiert. Es ist immun gegen hohe di/dt- und du/dt-Effekte und enthält robuste Schutzvorrichtungen für die Leistungsstufen. Dadurch wird die Zahl der Durchläufe, die zur Feinabstimmung der Modulleistung und zur Gewährleistung eines angemessenen Wärmemanagements erforderlich sind, erheblich reduziert. Die zusätzliche Hardware des Referenzdesigns umfasst DC- und Phasenstromsensoren, EMI-Filter, einen kompakten Flüssigkeitskühler und einen kompakten DC-Link-Kondensator. Letzterer wurde speziell für die Wechselrichterplattform entwickelt und deckt ein breites Spektrum an Spannungs- und Stromoptionen ab.

Softwaresteuerung und Kalibrierung

Um das Referenzdesign zu vervollständigen, steht auch ein E-Motor-Steuerungsboard mit einem anwendungsspezifischen Prozessor und einer Software bereit, die beide gemäß ISO 26262 (ASIL-Level D) für funktionale Sicherheit vorzertifiziert sind. Die Motorsteuerungssoftware ermöglicht zahlreiche Anpassungen, ohne die Zertifizierung für funktionale Sicherheit zu beeinträchtigen. Damit lässt sich das Verhalten des Motors entsprechend den Anforderungen flexibel optimieren. Nutzer können so ihre eigene Anwendungssoftware ausführen.

Die Steuerplatine wurde um die feldprogrammierbare Steuereinheit (FPCU) Olea T222 von Silicon Mobility herum entwickelt. Damit kann das Referenzdesign die softwarebasierte Flexibilität eines herkömmlichen Prozessors mit Hardwarebeschleunigung kombinieren, um Echtzeitleistung bis zur höchsten gewünschten Motordrehzahl zu gewährleisten. Durch die Einbindung der Steuerplatine hilft das Referenzdesign auch, die üblichen mechanischen und elektrischen Herausforderungen bei der Integration zu vermeiden, wenn die Steuerplatine und das IPM zusammengeführt werden.

Die Olea App für Inverter ist eine flexible und anpassbare Steuerungssoftware (Bild 3). Sie ermöglicht, Konfigurations- und Kalibrierungsparameter, offline oder in Echtzeit zu ändern. Somit lässt sich die Software an jede elektrische Antriebskonfiguration und jeden Leistungs­bereich anpassen. Die Software verfügt auch über ein Debugging- und Kalibrierungs-Framework inklusive grafischer Schnittstelle. Mit dem Olea Composer können Entwickler, die für die Optimierung der Motorsteuerungssoftware benötigte Zeit verkürzen (siehe Kasten für weitere Informationen über diesen vierstufigen Prozess).

Leistungsfähigkeit des SiC-Wechselrichters

Nachdem die Parameter eingerichtet sind, lässt sich der Motor testen und der Wirkungsgrad der Umrichter- Motor-Kombination ermitteln. Die Bilder 4a und 4b zeigen den Vergleich der Leistungsfähigkeit des SiC-basierten Wechselrichters mit der eines Silizium-IGBT-Wechselrichters, welcher unter ähnlichen realen Bedingungen getestet wurde.

Mit zunehmender Drehzahl und Lastanforderung verringert sich das Motordrehmoment beim Betrieb mit dem IGBT-basierten Antrieb aufgrund seines geringeren Wirkungsgrads erheblich. Die mit den Energieverlusten im Baustein verbundene Eigenerwärmung kann nicht ohne stark erhöhte Kühlung abgeführt werden. Im Gegensatz dazu reicht der hocheffiziente Antrieb auf SiC-Basis über einen viel breiteren Drehzahl- und Lastbereich näher an das maximale Drehmoment heran.

Einrichten und Kalibrieren des Antriebs

Die Tool-Suite Olea Composer hilft dem Anwender, den Motor gemäß den Kundenspezifikationen zum Laufen zu bringen. Sie hilft beim Kalibrieren von Parametern wie Spannung, Nennleistung, Drehzahl und Drehmoment, um einen optimalen Arbeitsbereich zu erzielen. Sobald dies abgeschlossen ist, lässt sich der Wirkungsgrad des Wechselrichters und des Motors in der realen Testumgebung abbilden.

Einrichten und Kalibrieren in vier Schritten:

Schritt 1 – Konfiguration der Softwareparameter:

Konfiguration der Olea-App-Inverter-Software entsprechend den Parametern des E-Motors.

Schritt 2 – Einrichten der Wechselrichter-Hardware:

Einrichtung des E-Motors einschließlich der Komponenten wie Resolver und Temperatursensoren. Anschluss des elektronischen Steuergeräts (ECU) und der Schnittstellen des Wechselrichters (z. B. CAN, Sicherheit) sowie der Stromversorgungs- und Kühlungsschnittstellen. Überprüfung der Sicherheitsschnittstellen des Wechselrichters mit dem Prüfstand.

Schritt 3 – Kalibrierung des Steuerungssystems:

Open-Loop-Modus: Kalibrierung der Strom- und Spannungssensor-Signalkonditionierungsketten durch die Olea T222 FPCU.

Partieller Open-Loop-Modus: Kalibrierung des Positionssensor-Offsets, unabhängig davon, ob Resolver oder induktive Sensoren verwendet werden.

Stromregelungsmodus: interne PI-Regler-Abstimmung von ID- und IQ-Vektoren für feldorientierte Regelung.

Drehmomentregelung: Feinabstimmung des Drehmomentregelkreises für Präzision und dynamisches Verhalten. Drehzahlregelungsmodus: Kalibrierung des Drehzahlreglers.

Schritt 4 – Erweiterte Systemoptimierung:

Skalierung der Schaltfrequenz: Anpassung der Schaltfrequenz in Abhängigkeit von Drehzahl und Phasenströmen.

Totzeitkompensation: Anpassung des Totzeitkompensationsalgorithmus zur Minimierung der Phasenstrom-Oberschwingungen.

Flussschwächung: Optimierung der id/iq-Sollwerte für einen effizienten Betrieb im Bereich des maximalen Drehmoments pro Spannung (MTPV).

SVPWM/DPWM: Definition der Schwelle zwischen Raumvektor-Pulsbreitenmodulation (SVPWM) und diskontinuierlicher Pulsbreitenmodulation (DPWM), die einen höheren Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen ermöglicht. Mit diesem Ansatz lässt sich das Referenzdesign so abstimmen, dass ein Wirkungsgrad von über 99 Prozent bei einem 700 V-Bus und bis zu 4.000 U/min erreicht werden, wie in Bild 5 dargestellt.

Fazit

Die Bereiche Bus, Lkw und landwirtschaftliche Fahrzeuge bieten eine exzellente Gelegenheit zur Elektrifizierung und Verringerung der Emissionen. SiC-Leistungsbauteile tragen dazu bei, die Zuverlässigkeit und Betriebszeit von Fahrzeugen zu maximieren und im Vergleich zu Silizium-IGBTs oder -MOSFETs eine höhere Effizienz im Bereich der Nutzung zu erzielen.

Die Komplexität bei der Entwicklung mit SiC und die Notwendigkeit, eine schnelle Markteinführung zu gewährleisten, erfordern eine flexible Entwicklungsplattform, die den Ingenieuren hilft, die Ziele für verschiedene Fahrzeugkategorien und -typen zu erfüllen.

Ein komplettes Referenzdesign, welches Lösungen für die wichtigsten Herausforderungen beim SiC-Design bietet und gleichzeitig Flexibilität und Skalierbarkeit für verschiedene Leistungsstufen und Batteriespannungen für kleine bis große Fahrzeuge ermöglicht, minimiert die Designrisiken und hilft, die Markteinführung zu beschleunigen. (mr)

Referenzen

[1] NESTE: „Towards sustainable mobility“, April 2023: https://journeytozerostories.neste.com/transportation/towards- sustainable-mobility#885e75ed

[2] Cissoid SiC Intelligent Power Modules: https://www.cissoid.com/products/power-semiconductors

* Pierre Delatte ist CTO bei Cissoid

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