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Elektromobilität

Entwicklung eines Power-Moduls für Automobil- und CAV-Antriebe

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Hohe Stromtragfähigkeit für die Anfahrmomente

Der Betrieb mit feststehendem oder blockiertem Motor-Rotor, gelegentlich auch als Hill Hold oder Anfahrmoment bezeichnet, verursacht oft die größte Temperaturbelastung des Bauelements, da der Strom in einem einzelnen Schalter mit dem Scheitelwert der sinusförmigen Stromwelle fließen kann. Daher bestimmt dieser Eckbetriebspunkt den Grenzwert für die Strombelastbarkeit des Leistungsmoduls. Die neuen EDT2-Chips sind in der Lage, für kurze Zeit (<10 s) bei 175 °C zu arbeiten, um diese Anforderung hinsichtlich des Blockierzustands zu erfüllen. In der Tabelle (Bild 7) werden der Betrieb des HPDrive und des HP2 im Blockierzustand des Motors verglichen. Dabei zeigt sich, dass die nur 300 mm2 großen EDT2-Chips vergleichbare Stromdaten aufweisen wie die IGBT3-Chips mit 400 mm2.

Allerdings ist die maximale Sperrschichttemperatur nicht der einzige begrenzende Faktor, sondern die Lebensdauer des Moduls aufgrund von Temperaturwechsel-Beanspruchungseffekten ist ebenfalls ein entscheidendes Auslegungskriterium. Um den Effekt hoher Temperaturdifferenzen abzuschwächen, ist das Chip-Lötsystem verbessert worden, sodass die Lastwechselfestigkeit um 40% gestiegen ist, beispielsweise auf 60.000 Zyklen bei einer Temperaturdifferenz des Chips von 100 K. Zudem wurde das HybridPACK Drive entsprechend der neuen ZVEI-LV324-Vorgaben qualifiziert, was beispielsweise den Test der Zyklenfestigkeit bei mindestens 85% vom Nennstrom beinhaltet (somit 700-ADC-Teststrom beim FS820…HPDrive).

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Bei der Entwicklung des neuen EDT2-IGBT/Dioden-Chipsets mit geringeren Verlusten und höherer Temperaturbelastbarkeit ergaben sich zwei verschiedene Ansätze für die Modulauslegung. Der erste war die Entwicklung eines kleineren, leichteren Moduls mit ähnlichem Ausgangsstrom wie das bereits existierende HP2-Modul. Gleichzeitig bietet das neue Gehäuse einige technische Vorteile, wie etwa eine geringere Streuinduktivität und Steuersignal-Pins mit PressFIT-Kontaktierung. Dieser Entwicklungsansatz wurde für den HPDrive gewählt.

Der zweite Entwicklungsansatz war, die EDT2-Chips in das vorhandene HP2-Gehäuse zu integrieren, was auch dort eine Erhöhung des Nennstroms ermöglicht. Kunden, die das HP2-Gehäuse bereits nutzen, haben also die Möglichkeit, entweder Nennstrom und Nennspannung zu erhöhen oder die gleiche Leistungsfähigkeit in einem kleineren, kostengünstigeren Gehäuse beizubehalten. Außerdem wird das neue HPDrive-Modul in zwei Ausführungen zur Verfügung stehen: mit Pin-Fin-Grundplatte und einem Nennstrom von 820 A sowie mit flacher Grundplatte und einem Nennstrom von 660 A.

Weiterhin ist das HybridPACK Drive Package mit 9 mm Kriechstrecken für Arbeitsspannungen bis 900 V tauglich und wird daher zukünftig auch mit 1200-V-Chipsätzen angeboten. Die HybridPACK-Drive-Produktfamilie ist damit auch für höhere Spannungslagen interessant, insbesondere für die 750-V-Spannungslage nach ISO/PAS 19295. Diese neuen Bemessungsdaten erweitern die HybridPACK-Familie und ergänzen das umfassende Spektrum, das Infineon an Leistungsmodulen für Antriebe von Fahrzeugen in den Bereichen Automobil und CAV anbietet, wie beispielsweise das EconoDUAL 3 oder PrimePACK.

* Andre Christmann ist System Application Engineer, Infineon North America. David Levett ist Power Electronics Design and Applications Engineer, Infineon North America. Tomas Reiter ist Application Engineer Electric Drive Train, Infineon Neubiberg.

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