Inverter- und Motoroptimierung mittels SiC-Technologie

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REPORT


Inverter- und Motoroptimierung mittels SiC-Technologie

Neue Siliziumkarbid-Mosfets steigern die Effizienz von elektrischen Antrieben und Invertern. Im Vergleich zu Silizium-IGBTs ermöglichen sie so höhere Reichweiten und schnelles Laden bei 800 V. Vitesco Technologies hat an einem integrierten Achsantrieb mit proto­ typischem 800-V-SiC-Inverter untersucht, welche Faktoren die beste Systemkonfiguration aus Inverter und Motor bestimmen.

© Vitesco Technologies

Der Wirkungsgrad der Leistungs­ elektronik im Elektrofahrzeug beein­ flusst, welcher Anteil der in der Batte­ rie gespeicherten Energie tatsächlich in Traktion umgesetzt werden kann. Damit übt die Invertereffizienz einen direkten Einfluss auf die Reichweite aus. In heutigen Invertern der 400-Vg

AUTOREN

Dr. Gerd Rösel ist Head of Innovation Department im Geschäftsbereich Antriebs­ systeme bei Vitesco Technologies in Regensburg.

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Petra Mönius ist Head of Innovation Power Electronics bei Vitesco Technologies in Nürnberg.

Dr.-Ing. Sachar Spas ist Technical Project Manager Innovation e-Machines & Axle Drives bei Vitesco Technologies in Berlin.

Nico Daun ist Team Leader Innovation e-Machines & Axle Drives bei Vitesco Technologies in Berlin.

www.springerprofessional.de/automobiltechnik

Klasse fungieren siliziumbasierte Bi­­ polartransistoren mit isolierter GateElek­t rode (Si-IGBT, Silizium-InsulatedGate Bipolar-Transistor) als Schaltbau­ steine zur gepulsten Ansteuerung des Elektromotors. Etabliert haben sich dafür Schaltfrequenzen von 8 bis 10 kHz bei einem Spannungsgradienten (dU/dt) mit einer Flanke von typischerweise bis zu 5-kV/µs-Steilheit. Effizienzgrade von etwas über 90 % gelten auf dieser Grundlage als guter Inverterstandard. Mit der Reife von SiC-Mosfets (Sili­zi­ umkarbid-Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) für den auto­mo­ bilen Einsatz im Inverter besteht eine neue Option für weitere Effizienz­fort­ schritte. Zum einen sind bereits bei 400 V Effizienzgewinne im Inverter von beispielsweise 3 % allein durch den Einsatz geeigneter SiC-Mosfets möglich, BILD 1. Für den Übergang zu 800-V-Systemen sind SiC-Mosfets geradezu eine Voraussetzung, weil die Schaltverluste im Inverter auch mit verlustoptimierten Si-Halbleitern bei 800 V zu hoch würden, BILD 2. Da ein schnelleres Batterieladen mit hohen Gleichströmen, sogenanntes DC Superfast Charging, bei gleichen Kabelquerschnitten eine Spannungs­ lage von 800 V erfordert, werden ge­­ eignete SiC-Leistungshalbleiter zuneh­ mend zu einer Schlüsseltechnologie, um diese Spannungslage effizient nutzen zu können. Vitesco Technologies entwickelt aktuell ein modulares Inverterkonzept für den Übergang von 400 auf 800 V.

BILD 1 Effizienteres Schalten im SiC-Inverter im Vergleich zur heutigen Si-Technologie jeweils bei 400 V mit gleicher Flankensteilheit von 5 kV/µs und 10-kHz-Taktfrequenz im WLTP (© Vitesco Technologies)

Die technische Plattform dafür ist die in der Entwicklung befindliche vierte Generation des integrierten elektrischen Achsantriebs EMR4 (Electronics Motor Reducer Generation 4). D