Halbleiter in Traktionswechselrichter-Systemen Mehr Reichweite von E-Mobilen mit SiC-Gatetreiber

Der neue SiC-Gatetreiber von Texas Instruments verbessert die Reichweite von Elektrofahrzeugen. Durch das Design sichererer, effizienterer Traktionswechselrichter lässt sich die Fahrzeugreichweite um fast 1600 km pro Jahr steigern. Eine verstärkte Isolierung ermöglicht gesteigerte Leistungsdichte.

Texas Instruments (TI) hat einen hochintegrierten isolierten Gatetreiber vorgestellt, der den Belangen der funktionalen Sicherheit gerecht wird und es ermöglicht, effizientere Traktionswechselrichter zu entwickeln und die Reichweite von Elektrofahrzeugen (EV) zu maximieren. Bei der Entwicklung von EV-Antriebssträngen sorgt der mit verstärkter Isolierung aufwartende Gatetreiber UCC5880-Q1 dafür, dass die Leistungsdichte gesteigert und sowohl die Designkomplexität als auch die Kosten verringert werden können, während gleichzeitig die Sicherheits- und Performance-Vorgaben umgesetzt werden.

Angesichts der wachsenden Popularität von Elektrofahrzeugen tragen Innovationen bei den in Traktionswechselrichter-Systemen verbauten Halbleitern dazu bei, entscheidende Hindernisse für eine allgemeine Verbreitung zu beseitigen. Mithilfe des UCC5880-Q1 sind Automobilhersteller in der Lage, sicherere, effizientere und zuverlässigere Traktionswechselrichter auf der Basis von Siliziumkarbid-Transistoren (SiC) bzw. IGBTs (Insulated-Gate Bipolar Transistors) zu entwickeln. Kennzeichnend für den neuen Baustein sind eine in Echtzeit variierbare Gate-Treiberstärke, eine SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface) sowie fortschrittliche SiC-Überwachungs- und Schutzfunktionen und Diagnosen im Interesse der funktionalen Sicherheit.

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«Beim Design von Hochspannungs-Applikationen wie etwa Traktionswechselrichtern ergeben sich ganz spezielle Herausforderungen, wenn der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Systems trotz beengter Platzverhältnisse optimiert werden sollen», berichtet Wenjia Liu, Product Line Manager für Hochleistungs-Treiber bei TI. «Dieser neue isolierte Gatetreiber ermöglicht nicht nur die Maximierung der Reichweite, sondern bringt auch integrierte Sicherheits-Features mit, damit weniger externe Bauteilen benötigt werden und das Design weniger komplex ist. Überdies lässt er sich problemlos mit anderen Hochspannungs-Leistungswandlerprodukten wie unserem isolierten Bias-Supply-Modul UCC14141-Q1 kombinieren, um die Leistungsdichte zu steigern und den Entwicklern zu helfen, den Traktionswechselrichtern ein Höchstmass an Leistungsfähigkeit zu verleihen.»

Maximierte EV-Reichweite bei gleichzeitiger Komplexitäts- und Kostenreduzierung

Die Forderungen nach mehr Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit bei Elektrofahrzeugen nehmen ständig zu, denn ein höherer Wirkungsgrad wirkt sich direkt auf die mit einer Ladung mögliche Fahrstrecke aus. Gerade diese Anhebung des Wirkungsgrads aber gestaltet sich schwierig, denn die Mehrzahl der Traktionswechselrichter arbeitet bereits jetzt mit einem Wirkungsgrad von 90 % oder mehr.

Indem die Gate-Treiberstärke in Echtzeit stufenweise zwischen 20 A und 5 A variiert wird, lässt sich der Systemwirkungsgrad mithilfe des UCC5880-Q1 um bis zu 2 Prozentpunkte steigern, da die Schaltverluste in den SiC-Bauelementen kleiner werden. Ein Elektrofahrzeug kann folglich mit einer Ladung um über 7 Meilen (ca. 11 km) weiter fahren, was bei drei Ladevorgängen in der Woche eine zusätzliche jährliche Fahrstrecke von fast 1000 Meilen (ca. 1600 km) ergibt.

Die Programmierbarkeit des UCC5880-Q1 über die SPI-Schnittstelle und seine integrierten Überwachungs- und Schutzfunktionen können sowohl die Designkomplexität als auch die Kosten für externe Bauelemente verringern. Mithilfe eines Referenzdesigns (SiC EV Traction Inverter Reference Design) ist es möglich, den Bauteileaufwand weiter zu reduzieren und ein effizienteres Traktionswechselrichter-System zügig als Prototyp zu realisieren. Das individuell anpassbare, geprüfte Design ist neben dem UCC5880-Q1 auch mit einem Power-Modul für die Bias-Versorgung, einem Echtzeitsteuerungs-Mikrocontroller sowie hochpräziser Sensorik ausgestattet.

Texas Instruments hat seine Hochspannungs-Innovationen für eine nachhaltige Zukunft, darunter auch den UCC5880-Q1, auf der Fachmesse Power Conversion and Intelligent Motion (PCIM) Europe 2023 vom 9. bis 11. Mai präsentiert. Daneben hat das Unternehmen System-Innovationen für Designs vorgestellt, auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) sowie weitere TI-Technologien, die der Steigerung der Leistungsdichte und Effizienz von EVs, Stromversorgungen, Energiespeichersystemen usw. dienen. Es ist das Ziel von TI, es durch Innovationen im Bereich der Leistungswandlung und der Wide-Bandgap-Halbleiter einfacher zu machen, die Möglichkeiten der Hochspannungstechnik auszuschöpfen.

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