Hybridantriebe Halbleiter für das „grüne“ Auto

Autor / Redakteur: Mark Nils Münzer, Dr. Markus Thoben, Andre Christmann, Andreas Vetter, Benedikt Specht* / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Steigende Energiekosten und strengere Umweltauflagen stellen den Verbrennungsmotor zunehmend in Frage. Mit Hybridantrieben ließe sich der Wirkungsgrad von Kraftfahrzeugen verbessern und Emissionen reduzieren. Die verschiedenen Hybridkonzepte erfordern jedoch entsprechend angepasste Leistungshalbleitermodule.

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( Foto: PixelQuelle )

Vor allem im unteren Drehzahlbereich hat der Verbrennungsmotor einen schlechten Wirkungsgrad und einen hohen Abgasausstoß. Abhilfe schafft die Integration elektrischer Motoren in den Antriebsstrang – also ein Auto mit Hybridantrieb. McKinsey prognostiziert in seiner Marktstudie „Drive – the future of automotive power“ Hybridfahrzeugen für das Jahr 2020 einen Marktanteil von 5 bis 18 %. Um eine solche Marktdurchdringung zu erreichen, müssen jedoch nicht nur die marktwirtschaftlichen und politischen Rahmenbedingungen stimmen – es müssen auch kostengünstige und zuverlässige Hybridantriebe entwickelt werden. Die Leistungshalbleitermodule der Baureihe HybridPACK von Infineon wurden gezielt auf die Anforderungen zukünftiger Antriebssysteme hin entwickelt.

Das Hybridauto – eine Idee mit vielen Ausprägungen

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Der Begriff „Hybrid“ beschreibt die Verbindung unterschiedlicher Arten oder Prozesse zu einem Ganzen. Beim Hybridfahrzeug handelt es sich um eine Kombination von mindestens zwei verschiedenen Antrieben – in der Praxis dabei eine Kombination aus Verbrennungsmotor und einem oder mehreren Elektromotoren. Zur Unterscheidung der verschiedenen Lösungen kann der Grad der Hybridisierung, also der Anteil der elektrischen Leistung an der installierten Gesamtleistung, oder aber die Architektur herangezogen werden (Bild 1).

Mikro-Hybrid – die Light-Version

Beim Mikro-Hybrid wird der Elektromotor nur auf die Start-Stopp-Funktion hin dimensioniert. Dabei geht es darum, den Verbrennungsmotor bei jedem Fahrzeugstillstand abzuschalten und erst beim nächsten Anfahren wieder zu starten. Um den Fahrkomfort nicht einzuschränken, muss die Leistung des integrierten Starter-Generators allerdings so dimensioniert sein, dass er den Verbrennungsmotor in wenigen hundert Millisekunden wieder starten kann. Je nach Fahrzyklus lassen sich mit einem Mikro-Hybrid bis zu 10 % Kraftstoff einsparen. Für Mikro-Hybride ist eine Parallel-Hybridarchitektur besonders geeignet.

Mild-Hybrid – bringt verbrauchte Energie zurück

Auch der Mild-Hybrid wird meist als Parallel-Hybrid ausgeführt. Über die Start-Stopp-Funktion hinaus, kann der Mild-Hybrid beim Bremsen Energie aufnehmen, in einer entsprechend dimensionierten Batterie zwischenspeichern und später zur Drehmoment-Unterstützung innerhalb weniger Sekunden, beispielsweise beim Anfahren oder für einen Überholvorgang, wieder abgeben. Zwar läst sich mit einem Mild-Hybrid der Kraftstoffverbrauch um zirka 15 % senken, jedoch sind die Kosten für ein solches System auch signifikant höher. Zum einen ist ein Elektroantrieb mit deutlich höherer Leistung zu installieren, zum anderen muss das Fahrzeug, z. B. im Hinblick auf das Bremssystem, stärker an die Hybridfunktion angepasst werden.

Voll-Hybrid – mechanisch entkoppelte Antriebe

Auch beim Voll-Hybrid sind größere Eingriffe in das Fahrzeug notwendig. Ziel ist es, kürzere Strecken, beispielsweise im Stadtverkehr, nur mit elektrischer Energie zu fahren. Um alleine mit dem Elektromotor fahren zu können, muss der Verbrennungsmotor von der Antriebsachse mechanisch entkoppelt werden können. Für eine Parallel-Hybridarchitektur bedeutet dies, dass zwei Kupplungen notwendig sind. Eine stark unterschiedliche Auslegung des elektrischen Antriebes im Generatorbetrieb und im Motorbetrieb führte zur Entwicklung von leistungsverzweigten Systemen. Vor allem Dieselfahrzeuge mit elektrischen Hybridantrieben großer Leistungen basieren auf der Serien-Hybridarchitektur. Allen Voll-Hybriden gemein ist eine Kraftstoffeinsparung von etwa 25 %.

Anforderungen an die Leistungselektronik

Wirtschaftliche Überlegungen sind für jeden Autokauf von entscheidender Bedeutung. Auch wenn die ökologischen Vorteile von Hybridfahrzeugen speziell im Stadtverkehr unumstritten sind, werden die Verkaufszahlen eines Hybridfahrzeuges vor allem auch vom jeweiligen Preis-Leistungsverhältnis bestimmt. Dabei müssen neben den Investitionskosten auch die Betriebskosten über den gesamten Nutzungszeitraum und der Restwert in die Berechnung mit einbezogen werden.

Anhand einiger Beispielrechnungen kann man schnell feststellen, dass die zusätzlichen Kosten eines Hybridantriebes bei einem Fahrzeug mit hohem Kraftstoffverbrauch eher zu kompensieren sind als bei Fahrzeugen, die einen niedrigen Kraftstoffverbrauch aufweisen. Vor allem große Fahrzeuge werden daher als Voll-Hybrid ausgeführt, kleinere Fahrzeuge eher als Mild-Hybrid. Um die notwendige Kühlleistung für die Leistungselektronik von Voll-Hybriden aufzubringen, sind diese Systeme flüssigkeitsgekühlt. Dazu soll in Zukunft der Kühlkreislauf der Verbrennungsmaschine verwendet werden. Für die Leistungselektronik bedeutet dies nicht nur hohe Kühlmitteltemperaturen, sondern auch extreme Temperaturwechsel, die nicht mehr von der Leistungselektronik selbst bestimmt werden.

Aufgrund der hohen Ströme in den Motorleitungen wird ein Einbau am Getriebe nahe an der elektrischen Maschine angestrebt. Sowohl die benötigte Kühlleistung als auch die Motorströme in Mild-Hybridsystemen sind wesentlich kleiner. Bei Mild-Hybriden wird die Leistungselektronik daher häufig mit Luft gekühlt und im Kofferraum montiert. Bild 2 vergleicht die Anforderungen an die Leistungselektronik der beiden beschriebenen Hybrid-Antriebe.

Höchste Leistungsdichten im Halbleitermodul

Eine Reduzierung der Verluste im Halbleiter erhöht nicht nur den Wirkungsgrad des Hybridsystems, sondern senkt auch den Kühlaufwand und reduziert die benötigten Halbleiterfläche. Die Anhebung der maximal erlaubten Chiptemperatur verbessert zwar nicht den Wirkungsgrad des Gesamtsystems, erlaubt aber jedoch eine Reduzierung des Kühlaufwands oder der benötigten Halbleiterfläche. Die Trench-Feldstop-Struktur des IGBT³ senkt Durchlass- und Schaltverluste. Das Schaltverhalten ist optimal auf die zugehörige EmCon3-Diode abgestimmt. Die niedrigen Verluste in Verbindung mit einer Anhebung der maximal erlaubten Chiptemperatur um 25 °C auf 175 °C ermöglichen eine Reduzierung der Chipfläche um mehr als 20 % für die gleiche Umrichterausgangsleistung.

Der IGBT³ ist die Basis für die Leistungsmodule HybridPACK1 und HybridPACK2. Beide Gehäuse entsprechen der klassischen Modulbauweise, bei der die Chips auf eine kupferbeschichtete Keramik aufgelötet und mit Bonddrähten auf der Vorderseite kontaktiert werden. Die gebondeten Keramiken werden dann auf eine Bodenplatte gelötet und nach Aufsetzen des Gehäuses mit diesem verbunden. Verbesserungen in den verwendeten Prozessen, zum Beispiel ein Bondprozess, der die Lebensdauer der Bondverbindung verdoppelt, und eine geeignete Materialauswahl zeichnen die HybridPACK-Module aus. Bis zu 30 % weniger Siliziumfläche für die gleiche Leistung brauchen die beiden Module HybridPACK1 und HybridPACK2, da sie Infineons IGBT-Technik nutzen und bei ihrer Entwicklung das Gesamtsystem berücksichtigt wurde. Die elektrischen Verluste lassen sich um bis zu 20 % senken, was die Energieeffizienz des Antriebes verbessert und eine einfachere Entwärmung ermöglicht.

Das Design von HybridPACK1 (Bild 3) orientiert sich an den Anforderungen eines 20-kW-Mild-Hybridantriebes. Alle sechs 400-A/600-V-Schalter sind in einem Gehäuse integriert. Um die Halbleiter optimal auszunutzen, ist auf der mittleren Keramik ein Temperatursensor integriert. Auf die Verwendung teuerer Materialen für die Bodenplatte wurde verzichtet. Drei kleine, in ihren Materialeigenschaften verbesserte Aluminium-Oxid-Keramiken auf einer 3 mm dicken gestanzten Kupferbodenplatte verbessern die thermische Zyklenfestigkeit des Moduls soweit, dass sie die Anforderungen eines luftgekühlten Systems erfüllt.

Bild 4 zeigt TST-Ergebnisse verschiedener Materialkombinationen nach 800 Temperaturzyklen zwischen –55 °C und +150 °C. Auch wenn die thermische Zyklenfestigkeit deutlich verbessert wird, so erreicht sie nicht die Festigkeit der Kombination aus AlSiC-Bodenplatte und Si3N4-Keramik.

Das Leistungsmodul HybridPACK2 (Bild 5) wurde für flüssigkeitsgekühlte Voll-Hybride entwickelt. Die höheren Anforderungen an die thermische Zyklenfestigkeit solcher Systeme kann nur mit entsprechenden Materialien erfüllt werden. Daher basiert das Modul HybridPACK2 auf einer AlSiC-Bodenplatte. Für eine verbesserte Kühlung ist auf der Unterseite eine PinFin-Struktur integriert. Auf Grund der guten Wärmeabfuhr reicht das 800-A/600-V-Modul aus, um einen 80-kW-Antrieb zu entwickeln, der direkt vom Motorkühlwasser des Fahrzeuges gekühlt wird.

*Die Autoren sind Mitarbeiter der Infineon Technologies AG, München

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