Automotive Hochvolt-Schütze für Elektroantriebe

| Autor / Redakteur: Ralf Hickl, Uwe Rahn * / Thomas Kuther

Automotive Hochvolt-Schütze für Elektroantriebe: Die Baureihe RGSxxTS65DHR ist die zweite Generation von Field Stop Trench IGBTs mit eingebauter FRD für den Spannungsbereich bis 650 V.
Automotive Hochvolt-Schütze für Elektroantriebe: Die Baureihe RGSxxTS65DHR ist die zweite Generation von Field Stop Trench IGBTs mit eingebauter FRD für den Spannungsbereich bis 650 V. (Bild: Rohm)

Beim Einschalten des DC-Zwischenkreises von Frequenzumformern werden die Zwischenkreiskondensatoren an Spannung gelegt. Der dabei auftretende Einschaltstromstoß muss begrenzt werden.

Als Nennspannung im Gleichspannungszwischenkreis des Traktionsinverters in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug sind je nach Fabrikat und Konzept bis zu 1 kV in der Diskussion. Die Hersteller der IGBTs oder MOSFETs des Motorinverters geben in ihren Applikationsschriften und Referenzdesigns induktivitätsarme Filterkapazitäten vor, die parallel zu den Halbbrücken der Leistungsendstufe angeschlossen werden müssen.

Infineon Technologies z.B. empfiehlt in seinem Referenzdesign für Traktionsinverter, Hybrid Kit, für ein Powermodul im Gehäuse HybridPack1 einen Filterkondensator mit den Werten 300 µF/450 V. Auf seine Nennspannung aufgeladen fasst dieser Speicher die Energie von rund 30 Ws. Hersteller derartiger Leistungs-Filmkondensatoren sind z.B. AVX, Rubycon und WIMA.

Einerseits ist aus Effizienzgründen die elektrische Verbindung zwischen HV-Batterie und Inverter möglichst kurz und niederohmig zu halten. Andererseits sind aus Gründen der Sicherheit Batterie und Traktionsinverter elektrisch durch Schütze getrennt, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet ist. Folglich müssen beim Einschalten der Schütze Vorkehrungen getroffen werden, die den Ladestrom in den anfangs entladenen Filterkondensator begrenzen. Damit Nutzbremsungen mit generatorischem Betrieb des Traktionsinverters möglich sind, müssen die Hauptschütze zudem für bidirektionalen Stromfluss ausgelegt sein. Wichtig dabei ist nicht nur das Einschalten sondern auch das Ausschalten des Stromes in beiden Richtungen. Bei elektromechanischen Schaltkontakten ist das prinzipiell erfüllt, bei MOSFETs als Halbleiterschalter bedeutet es einen erhöhten Aufwand. Das liegt daran, dass sich bei diesen Bauteilen parallel zur Drain-Source-Strecke eine parasitäre Body-Diode auf dem Chip befindet. Der Stromfluss über diese Diode ist nicht abschaltbar. Um bidirektionalen Stromfluss trennen zu können, müssen deshalb zwei MOSFETs antiseriell hintereinander geschaltet werden. Bei IGBTs ohne integrierte Fast Recovery Diode (FRD) genügt einer.

Vorladetechnik der Konden­satoren in DC-Zwischenkreisen

Die Hersteller von Frequenzumformern aus dem industriellen Umfeld kennen diese Thematik schon lange und haben diverse Verfahren zur Ladung der Zwischenkreiskondensatoren entwickelt. Eines davon ist das Vorladen über einen Ladewiderstand (Bild 1).

Dafür wird in einem ersten Schritt das Hauptrelais 2 lastlos am Minuspfad geschlossen. In einem zweiten Schritt werden über das Vorladeschütz die Zwischenkreiskapazitäten aufgeladen. Durch den Vorladewiderstand wird das System strombegrenzt. Erst wenn der Kondensator fast komplett aufgeladen ist und die Spannung über einem bestimmten Prozentsatz der Nennspannung liegt, wird das Vorladeschütz wieder geöffnet. Anschließend wird das Hauptschütz 1 zugeschaltet. Somit muss das Hauptschütz 1 nur einen Einschaltstromstoß mit viel geringerem Energieinhalt übertragen als es ohne Vorladung der Fall wäre.

Dieser Vorladeprozess kann mehrere hundert Millisekunden dauern und setzt voraus, dass die Last hochohmig und der Inverter aus ist. Ist das nicht der Fall, so kann der Kondensator nicht vollständig vorgeladen werden, da die Last zusammen mit dem Vorladewiderstand einen Spannungsteiler darstellt und somit nur ein Bruchteil der Nennspannung über dem Kondensator abfällt.

Aus Sicherheitsgründen empfehlen sich einige Überwachungen und Begrenzungen:

  • Zeitliche Begrenzung der Vorladung. Damit wird eine Überhitzung des Vorladewiderstandes vermieden, insbesondere bei Störungen des Inverters, die zu einem Laststrom im Zwischenkreis führen.
  • Temperaturüberwachung des Vorwiderstandes mit Abschaltung bei Übertemperatur. Dieses schützt den Widerstand bei wiederholten vergeblichen Ladeversuchen.
  • Überwachung der Zwischenkreisspannung während der Vorladung mit Zuschaltung des Hauptrelais erst nach Erreichen eines Schwellwertes. Dadurch wird der Einschaltstromstoß begrenzt, das Hauptrelais geschützt und ein Auslösen vorgeschalteter Sicherungen verhindert.

Vorladen des Zwischenkreises mit Halbleiterschaltern

ROHM hat mit der Baureihe RGSxxTS65DHR die zweite Generation von Field Stop Trench IGBTs mit eingebauter FRD für den Spannungsbereich bis 650 V in Serie, weitere Typen bis 1200 V sind als Muster bereits verfügbar. Eigenschaften der RGSxxTS65DHR sind:

  • Qualifiziert nach AEC-Q101,
  • geringe Kollektor-Emitter Sättigungsspannung VCE(sat)(typ) von 1,65 V,
  • kurzschlussfest für mindestens 8 µs,
  • geringe Schaltverluste,
  • niedrige Gate-Ladung,
  • Gehäuse TO-247N.

Damit über den Ladewiderstand nicht rekuperiert werden kann, muss - zusätzlich zu den IGBTs mit eingebauter FRD - eine Leistungsdiode antiseriell zur FRD in Reihe geschaltet werden.

Robuste Silizium-Carbid- MOSFETs

Durch die Übernahme der Firma SiCrystal, einer Fabrik zur Herstellung von Silizium-Carbid (SiC) Wafern, ist ROHM seit 2010 einer der weltweit wenigen Hersteller für dieses Basismaterial. MOSFET Dice aus SiC zeichnen sich aus durch:

  • Temperaturfestigkeit,
  • Spannungsfestigkeit,
  • hohe Schaltfrequenzen,
  • geringste Schaltverluste.

ROHM bietet SiC-MOSFETs für 650, 1200 und 1700 V und entwickelt derzeit die dritte Bauteilgeneration. Qualifiziert für den Einsatz im Automobil werden gegenwärtig einige der Typen der zweiten Generation für 1200 V.

Damit über den Ladewiderstand nicht rekuperiert werden kann, müssen Halbleiter-Ladeschütze aus einem MOSFET zusätzlich mit einer Leistungsdiode im Strompfad versehen werden.

Isolierte Automotive Gate- Treiber für MOSFETs und IGBTs

High-Side Schalter der Ausführungen n-Kanal MOSFET oder NPN-IGBT benötigen eine Gate-Steuerspannung, die über der positiven zu schaltenden Spannung liegt. Isolierte Gate-Treiber mit integrierter Ladungspumpe oder mit Hochsetzstellern liefern entsprechende Spannungen und die Steuerleistungen zum Laden und Entladen der Gate-Source-Kapazität.

Weiterhin sind Schutzfunktionen implementiert mit entsprechendem Signalausgang auf der Niederspannungsseite. Gängig sind z. B. Schutzmaßnahmen gegen Überstrom und/oder Entsättigung, gegen den Miller-Effekt und gegen Übertemperatur.

Weitere Vorteile sind kurze Signaldurchlaufzeiten und sanftes Ausschalten (soft turn-off). Beispiel eines solchen komplexen isolierten Gate-Treibers ist ROHMs Type BM6104. Dieser Ein-Kanal-Gate-Treiber für MOSFETs und IGBTs bietet eine Isolationsfestigkeit von 2500 Vrms, eine kurze Durchlaufzeit von 150 ns bei einer minimalen Impulsdauer von 90 ns und ist qualifiziert nach dem Standard AEC-Q100.

Passende IGBTs, MOSFETs und Gate-Treiber

Bei der Vorladung der Zwischenkreis­kondensatoren eines Inverters mit Gleichspannungszwischenkreis über einen Widerstand ließe sich zumindest das Vorladeschütz als verschleißfreie Halbleitervariante ausführen. ROHM bietet mit IGBTs, MOSFETs und Gate-Treibern die passenden Bauteile dazu.

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* Ralf Hickl ist Product Sales Manager Automotive Business Unit und Uwe Rahnl Director Automotive Business Unit, beide bei der Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH.

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