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Hochvolt-Schützen sorgen für Effizienz und Sicherheit von Hybrid- und Elektroautos

Erstellt von Ralf Hickl, Product Sales Manager Automotive Business Unit, und Uwe Rahn, Director Automotive Business Unit, Rutronik |

Wenn der Motor eines Elektroautos ausgeschaltet ist, trennen Schütze die Verbindung zwischen HV-Batterie und Inverter. Beim Einschalten ist der Ladestrom in den Filterkondensatoren zu begrenzen. Um eine Nutzbremsung, also das Rekuperieren, zu ermöglichen, müssen die Hauptschütze für bidirektionalen Stromfluss ausgelegt sein. Bei elektromagnetischen Schaltkontakten ist das unproblematisch, bei MOSFETS gibt es ein paar Dinge zu beachten.

Beim Einschalten des Gleichspannungszwischenkreises von Frequenzumformern werden die Zwischenkreiskondensatoren an Spannung gelegt. Der dabei entstehende Einschaltstromstoß muss in seiner Höhe begrenzt werden. Für Hybrid- und Elektroautos sind als Nennspannung im Gleichspannungszwischenkreis des Traktionsinverters bis zu 1kV 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. Beispielsweise empfiehlt Infineon in seinem Referenzdesign für Traktionsinverter für ein Powermodul im Gehäuse HybridPack™1 einen Filterkondensator mit den Werten 300µF/450V. Auf seine Nennspannung aufgeladen, fasst er die Energie von rund 30Ws. Derartige Leistungs-Filmkondensatoren bieten z. B. AVX, Rubycon und WIMA.

Einerseits ist die elektrische Verbindung zwischen HV-Batterie und Inverter aus Effizienzgründen möglichst kurz und niederohmig zu halten. Andererseits sind aus Sicherheitsgründen Batterie und Traktionsinverter elektrisch durch Schütze getrennt, wenn das Fahrzeug ausgeschaltet ist. Folglich sind beim Einschalten der Schütze Vorkehrungen zu treffen, die den Ladestrom in den anfangs entladenen Filterkondensator begrenzen. Um Nutzbremsungen mit generatorischem Betrieb des Traktionsinverters zu ermöglichen, 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 das einen erhöhten Aufwand, weil sich bei MOSFETs 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 hintereinandergeschaltet werden. Bei IGBTs ohne integrierte Fast Recovery Diode (FRD) genügt einer.

Vorladen über Vorladeschütz und Ladewiderstand

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

 

Dies funktioniert wie folgt:

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

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

Dabei empfehlen sich aus Sicherheitsgründen einige Maßnahmen:

  • Zeitliche Begrenzung der Vorladung, damit der Vorladewiderstand nicht überhitzt, v.a. bei Störungen des Inverters, die zu einem Laststrom im Zwischenkreis führen.
  • Temperaturüberwachung des Vorwiderstandes mit Abschaltung bei Übertemperatur, um den Widerstand bei wiederholten vergeblichen Ladeversuchen zu schützen.
  • Überwachung der Zwischenkreisspannung während der Vorladung mit Zuschaltung des Hauptrelais erst ab einem Schwellwert. Dies begrenzt den Einschaltstromstoß, schützt das Hauptrelais und verhindert, dass vorgeschaltete Sicherungen auslösen.

Vorladen des Zwischenkreises mit Halbleiterschaltern

ROHM hat mit der Baureihe RGSxxTS65HDR die zweite Generation von Field Stop Trench IGBTs mit eingebauter FRD für den Spannungsbereich bis 650V in Serie. Sie kommen mit folgenden Eigenschaften:

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

Typen bis 1200V sind ebenfalls von ROHM als Muster bereits verfügbar.

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.

Ladeschütze aus SiC MOSFETs

MOSFET Dice aus Silizium-Carbid (SiC) zeichnen sich aus durch:

  • Temperaturfestigkeit
  • Spannungsfestigkeit
  • Hohe Schaltfrequenzen
  • Geringste Schaltverluste

ROHM ist einer der weltweit wenigen Hersteller für derartige SiC Wafer. Die SiC MOSFETs sind für 650V, 1200V und 1700V verfügbar, aktuell entwickelt ROHM die dritte Bauteilgeneration und qualifiziert einige Typen der zweiten Generation für 1200V für den Einsatz im Auto.

Um zu vermeiden, dass über den Ladewiderstand rekuperiert wird, sind Halbleiter-Ladeschütze aus einem MOSFET zusätzlich mit einer Leistungsdiode im Strompfad auszustatten.

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.

Zudem kommen sie mit Schutzfunktionen mit entsprechendem Signalausgang auf der Niederspannungsseite, z. B. 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 BM6104. Dieser Ein-Kanal-Gate-Treiber für MOSFETs und IGBTs bietet eine Isolationsfestigkeit von 2500Vrms und eine kurze Durchlaufzeit von 150ns bei einer minimalen Impulsdauer von 90ns. Er ist qualifiziert nach dem Standard AEC-Q100.

Fazit

Bei der Vorladung der Zwischenkreiskondensatoren eines Inverters mit Gleichspannungszwischenkreis über einen Widerstand lässt sich das Vorladeschütz als verschleißfreie Halbleitervariante ausführen.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

Figure 1: Pre-charging the DC link capacitor with resistor (Source: Rohm)
Bild 1: Vorladen der Zwischenkreiskapazität mit Widerstand (Quelle: Rohm)