Um die Verbreitung von xEVs voranzutreiben und Klimaziele wie Kohlenstoffneutralität zu erreichen, sind leichtere, effizientere und platzsparende Antriebe erforderlich. Insbesondere der Wirkungsgrad des Umrichters hat Einfluss auf die Reichweite und die Größe der Batterie. Entwicklerinnen und Entwickler stehen unter Druck, Systeme mit geringem Gewicht, hoher Effizienz und einfacher Integration zu realisieren.
SiC-Leistungselektronik ermöglicht kompakte Antriebe
Siliziumkarbid (SiC) ist als Schlüsselmaterial für die nächste Generation der Leistungselektronik etabliert. Moderne SiC-MOSFETs bieten höhere Schaltfrequenzen bei gleichzeitig geringeren Verlusten und liefern damit eine wichtige Grundlage für kompaktere, effizientere und einfacher zu kühlende Traktionssysteme im Fahrzeug.
Gerade elektrische Antriebe verlangen hohe Leistungsdichte und eine zuverlässige, zugleich einfache Wärmeabfuhr. Obwohl SiC grundsätzlich effizient arbeitet, müssen Verlustleistung und thermische Kopplung gezielt kontrolliert werden, um eine kompakte Bauweise ohne thermische Einschränkungen zu ermöglichen.
Ein Beispiel für eine solche optimierte Lösung ist die TRCDrive pack-Modulserie von Rohm (Abb. 1). Zwei vollständige SiC-Halbbrücken sind hier im 2-in-1-Prinzip in einem Modul vereint und ermöglichen so besonders kompakte, leistungsstarke Wechselrichter-Aufbauten.
Die technischen Highlights im Überblick:
- SiC-MOSFETs der vierten Generation (bis 1200 V/600 ARms je Modul)
- 2-in-1-Halbbrücken für besonders kompakte Wechselrichter
- Einseitige, hoch-effiziente Wärmeabfuhr
- Top-Side-Press-Fit-Anschlüsse, wodurch die Unterseite vollständig für wärmetechnische Anbindung verfügbar ist
- Parasitärarme Zweilagen-Busbar (nur 5,7 nH)
- Temperaturbereich von -40 °C bis +175 °C
Modulvarianten stehen in zwei Gehäusegrößen (für unterschiedliche Leistungen und Einbaugrößen) und mit wahlweise Ag-Sinterfläche oder vorapplizierter Wärmeleitfolie zur Verfügung. Beide Varianten unterstützen die einseitige Wärmeabfuhr und ermöglichen eine unkomplizierte Integration ins Kühlsystem.
Die verfügbaren Ausführungen decken sowohl 750-Volt- als auch 1200-Volt-Systeme ab und eignen sich damit für die Integration in unterschiedlichste Fahrzeugarchitekturen, von kompakten Elektrofahrzeugen bis hin zu leistungsstarken SUVs oder leichten Nutzfahrzeugen.
Integrierter Antrieb mit SiC-Modul
Ein aktuelles Beispiel für den Einsatz dieser Modultechnik ist das E-Achsmodul von Valeo: Elektromotor, Wechselrichter und Getriebe werden in einer platzsparenden Einheit kombiniert.
Dank der TRCDrive pack-Module reicht eine einseitige, hocheffiziente Wärmeabfuhr aus und komplexe Kühlarchitekturen oder doppelseitige Kontaktierung sind nicht mehr nötig.
Die Top-Side-Press-Fit-Anschlüsse erleichtern die Systemintegration weiter: Alle wesentlichen elektrischen Signale werden oberseitig angebunden, die wärmeabführende Unterseite bleibt für das Kühlsystem frei. Daraus ergeben sich geringere Bauhöhe, reduziertes Gewicht sowie vereinfachte Schnittstellen für Montage und Service.
Durch die geringe parasitäre Induktivität und die hohe Stromdichte eignen sich die Module besonders für moderne Plattformarchitekturen und flexible Fahrzeugkonzepte. Die hohe Modularität ermöglicht individuelle Anpassung für verschiedene Fahrzeugsegmente und reicht vom kompakten Elektro-Pkw bis zum leistungsstarken SUV oder Nutzfahrzeug.
Das gezeigte System wurde unter anderem für Anwendungen in der Hinterachse konzipiert. Die enge räumliche Integration von Motor, Umrichter und Getriebe stellt erhöhte Anforderungen an das EMV-Verhalten und die Wärmeführung. Genau diese Anforderungen können mit dem gewählten Modulkonzept effizient erfüllt werden.
Von der Evaluierung zur Serie
Für eine praxisnahe Entwicklung und schnelle Systemintegration stehen zwei aufeinander abgestimmte Evaluierungskits zur Verfügung (Abb. 2). Mit dem Doppelpulstest-Kit können einzelne Module unter realitätsnahen Bedingungen charakterisiert werden, beispielsweise um Schaltverluste und das dynamische Verhalten zu analysieren. Es umfasst ein optimiertes Leiterplattenlayout mit Gate-Treiber, Stromführung und thermischer Schnittstelle.
Das 3-Phasen-Vollbrücken-Kit bildet eine komplette Traktionswechselrichter-Topologie ab. Es unterstützt Applikationen mit mehreren Modulen und ist auf Laboraufbauten sowie frühe Fahrzeugtests ausgelegt. Es sind passende Gate-Treiber, DC-Link-Anschlüsse und mechanische Schnittstellen für Montage und Kühlung integriert.
Beide Kits erleichtern die Inbetriebnahme, Systemabstimmung und thermische Bewertung und sind somit ein praxisnahes Werkzeug für die Überführung vom Labor in die Serienentwicklung.
Fazit
Durch die Kombination aus modularer Hardwarebasis und verfügbarem Entwicklungsequipment lassen sich Entwicklungszeiten verkürzen, Varianten vereinheitlichen und neue Fahrzeugkonzepte effizient umsetzen. Somit unterstützen sie die Entwicklung modularer Architekturen für elektrische Antriebsstränge.