SEMIKRON Leistungselektronik für die E-Mobilität

SEMIKRON bietet seinen Kunden seit fast 20 Jahren integrierte Leistungselektronik-Systeme für Fahrzeuganwendungen und kann so auf langjährige Erfahrung in diesen Märkten bauen. Zunächst wurden lediglich Hochleistungssilizium und Gate-Treiber in kundenspezifischen Gehäusen kombiniert. Diese wurden inzwischen zu hochintegrierten Systemen entwickelt und beinhalten jetzt die Steuerelektronik und Software zur Vektorregelung. Bis heute wurden bei SEMIKRON insgesamt mehr als eine halbe Million hoch integrierter Invertersysteme für Stapler gefertigt. Die folgende Zeitleiste zeigt SEMIKRON Leistungselektronik-Produkte für Fahrzeuganwendungen, die in den letzten zwei Jahrzehnten an Kunden geliefert wurden.

Voraussetzungen für leistungselektronische Systeme in Fahrzeuganwendungen

Flexible, hocheffiziente Leistungselektronik ist eine zentrale Voraussetzung, um der Elektromobilität zum Erfolg zu verhelfen. Um eine maximale Leistungsdichte zu erreichen, müssen die elektrischen Verluste und die Wärmewiderstände auf ein Minimum reduziert werden, und es ist eine maximale Bauteilintegration erforderlich, während dies gleichzeitig kostengünstig und hocheffizient sein muss. Die EMV-Anforderungen der europäischen EMV-Richtlinie für zugelassene Fahrzeuge sind ordnungsgemäß einzuhalten. Die Schnittstelle für die Verbindung mit dem Master-Controller im Fahrzeug muss flexibel genug sein, um eine Anpassung an unterschiedliche Bedingungen zu ermöglichen. Die 3-phasigen IGBT‑Wechselrichter SKAI2HV der zweiten Generation (siehe oben) erreichen beispielsweise eine Leistungsdichte von bis zu 20 kVA / Liter bei einem Nennwirkungsgrad von > 98%.

SKAI Blockdiagramm

SKAI - Leistungselektronische Bausteine

Alle SKAI leistungselektronischen Systeme basieren auf der gleichen Architektur, wie sie im Folgenden dargestellt wird. Der Kern aller dieser Systeme ist das Leistungsteil mit den Halbleiterschaltern, den Zwischenkreiskondensatoren, den Sensoren für die Phasenströme und die Zwischenkreisspannung sowie die Temperatursensoren auf dem Keramiksubstrat und auch EMV-Filter und gegebenenfalls weitere passive Komponenten. Die Systeme werden durch die Gate-Treiber komplettiert und durch die Schutzfunktionen für Überstrom, Überspannung und Übertemperatur, sowie getrennte Stromversorgungen für alle erforderlichen internen Spannungen und die DSP-Steuerung.

Die Konverter der SKAI Produktfamilie von SEMIKRON sind jetzt in ihrer zweiten Generation und wurden zur Verwendung in Hybrid- und Elektrofahrzeugen optimiert. Die SKAI Energiesysteme für Fahrzeuge bieten ein hohes Maß an Integration und vereinen wesentliche Vorteile gegenüber vergleichbaren Systemen. Sie wurden im Einklang mit den neuesten Normen entwickelt, was kurze Markteinführungsphasen und niedrigere Entwicklungskosten sichert. Die SKAI Systeme stellen Standard-Plattformen mit Niedervolt-MOSFETs oder Hochspannungs-IGBTs auf Siliziumbasis dar. SKAI Systeme können auch auf individuelle Kundenanforderungen angepasst werden.

SKAI2 System – mögliche Lieferoption

Optionale Steuerungs-Software QUASAR

Die Schnittstelle zwischen der Steuereinheit und dem Hauptcontroller im Fahrzeug ist entweder als CAN‑Bus‑Schnittstelle oder, alternativ, als Interface für ein reines Schaltsignal ausgeführt. Als Option ist auch die Motorsteuerungssoftware QUASAR erhältlich, die auf feldorientierter Regelung aufbaut. QUASAR garantiert die stabile Regelung des Elektromotors bis weit in den Feldschwächebereich und ermöglicht die Implementierung von dynamischen und effizienten Fahrantriebe und Generatorlösungen. QUASAR empfängt normalerweise die Eingaben eines zentralen Steuergerätes über CAN und wandelt diese dann in präzise Drehzahl- oder Drehmomentenwerte um. Der QUASAR Software-Lösung, wurde in Übereinstimmung mit der MISRA-C Norm entwickelt und der SKAI Hardware angepasst. Zur Steuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren, synchronen Permanentmagnetmotoren als Innen- oder Außenläufer, sowie Drehstrom-Induktionsmotoren geeignet. Mit dieser Software lassen sich die Parameter für verschiedene Arten von Motoren auswählen. QUASAR umfasst Funktionen wie die Temperaturüberwachung in Motoren und Umrichtern, Batterietiefentladungsschutz, Überspannungsschutz bei der Energierückgewinnung , CAN‑Kommunikation gemäß CANopen, Software-Update über CAN-Bootloader innerhalb des Bordnetzes etc. Benutzer können selbstverständlich auch ihre eigene individuelle Steuersoftware verwenden. Zusätzlich kann die Controller-Hardware auch an spezifische Anforderungen angepasst werden.

Entwicklungs-Assistenz

Für die Auslegung einer zuverlässigen elektronischen oder mechatronischen Komponente ist es wichtig, die Betriebsbedingungen genauer zu kennen, um die möglichen Alterungs- und Ausfalleffekte berücksichtigen zu können. Neben den Extremtemperaturen des Bauraumes sind dies hauptsächlich die Temperaturbereiche und deren Zeitdauern im Betrieb ("Mission Profile"), die Anzahl und Höhe der Temperaturwechsel, thermische Gradienten und Kühlmöglichkeiten, aber auch mechanische Belastungen, Vorkommen chemischer Substanzen, Feuchte und Staub. SEMIKRON hilft dem Anwender, die Leistungselektronik für den Einsatz elektrischer Antriebe zu konfigurieren.

Basierend auf dem erforderlichen Leistungsprofil können die Gesamtlebensdauer und die Auswirkungen der kritische Lastschwankungen auf die Lebensdauer bestimmt werden. Mit diesen detaillierten Daten ist dann eine optimierte Motorsteuerung erreichbar. Für den Entwurf einer kompletten elektrischen Antriebslösung bietet SEMIKRON einen Berechnungsservice gemeinsam mit kompetenten Partnern. Die einzigen Daten, die dazu benötigt werden, sind die erforderlichen Drehmomenten- und Geschwindigkeits-Charakteristika.

Darüber hinaus bietet SEMIKRON an, die generische QUASAR Motorsteuerungs-Software zu parametrieren, um den Antrieb einem kundenspezifischen Motor anzupassen. Es ist auch möglich, kundenspezifische Steuerungs-Software vor der Auslieferung hochladen.

Beispiel von Drehmoment / Drehzahlverlauf...
...und die daraus resultierenden Sperrschichttemperaturen der Leistungshalbleiter