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Smarte HV-eFuse für Elektromobilität - Rutronik ABU und Vishay präsentieren ein Referenzdesign für Hochvolt-Trennschalter mit ROHM SiC

Die Kooperation zwischen den Spezialisten für E-Mobility der Automotive Business Unit (ABU) von Rutronik und der Automotive Sparte von Vishay realisierte ein neues Referenzdesign für einen High Voltage Circuit Breaker (Hochvolt (HV)-Trennschalter) mit einer maximalen Abschaltleistung von 40 kW. Diese zurücksetzbare und verlustarme SiC-Lösung mit MOSFETs von ROHM ersetzt frühere Optionen, die mechanische Relais verwendeten. HV-Schalter sind ein unverzichtbares Bindeglied innerhalb einer HV-Architektur von modernen Battery Electric Vehicles (BEV). Diese werden einge-setzt, um auf der Hochvoltseite (400/800V-Seite) – abhängig von der Plattformarchitektur – Nebenaggregate sicher und eindeutig vom Rest der elektrischen Fahrzeugarchitektur zu trennen und damit größeren Schaden zu vermeiden.

Die Zukunft neuer Fahrzeug-Generationen ist nachhaltig, vernetzt und elektrifiziert! „Wir definieren den Begriff „Design Service“ in der Distribution neu, indem wir Referenzprodukte entwickeln und Dienstleistungen anbieten, die den zukünftigen Anforderungen kommender Plattformen von Elektrofahrzeugen entsprechen“, so Uwe Rahn, Director Automotive Business Unit bei Rutronik.

 

Elektrische Fahrzeuge der nächsten Generation werden über bis zu drei verschiedene
Spannungsebenen verfügen:

  • Ein 12V-Bordnetz für kleine Aktuatoren und sämtliche Steuergeräte,
  • Ein 48V-Bordnetz für größere Stromverbraucher wie Wasserpumpen, EPS oder Kühlerlüfter und
  • Ein 400 bis 800V-Bordnetz, welches das Batteriepack und die größten Verbraucher wie z.B. den Inverter, den Hochvolt-Heizer, den OBC den HV/LV DCDC und die HVAC enthält.

Speziell letzteres erfordert ein Höchstmaß an Sicherheit und Verlässlichkeit bei allen verbauten Komponenten.


Technologien „State-of-the-Art“ für das BEV der Zukunft

Schaltungstechnisch besteht der HV-Trennschalter aus einer isolierten 800V Powerstage mit einer 12V Mess- und Auswerteelektronik und einem AURIXTM TC375 Lite Kit. Realisiert wird das Konzept des HV-Trennschalters in der Schaltstufe mit Hochleistungshalbleitern der neuesten SiC Generation von ROHM, einer galvanischen Trennung der Messkanäle, hochpräzisen Shunts, neuen Optokopplern, sowie sämtlichen Schutzbauteilen von Vishay. Dazu kommt die Ansteuerung über einen AURIXTM Microcontroller der zweiten Generation von Infineon.

 

Innovation für höchste Ansprüche mit ROHM’s 1200V SiC MOSFETs

Mit ROHM‘s 1200V SiC MOSFETs im SMD-Gehäuse und einer genau abgestimmten Ansteuerung über einen SiC-Gatetreiber ist der HV-Trennschalter in der Lage Leistungen von bis zu 40kW zu schalten. Die dabei entstehende Verlustleistung erreicht ca. 16W. Die dadurch entstehende Wärme kann bei Raumtemperatur (25°C) passiv abgeleitet werden. Damit übertrifft das neue innovative Konzept die Anforderungen von Premium OEMs.

Der HV-Trennschalter verfügt über einen Vorladepfad, mit dem kapazitive Lasten über einen SiC-MOSFET, in Reihe geschaltete Vorladewiderstände und zwei implementierten Pre-Charge-Modi (13ms bzw. 130ms) vorgeladen werden können, um somit einen möglichen Überstrom beim Einschalten zu verhindern. Die Ansteuerung der Haupt-MOSFETs ist über den galvanisch getrennten SiC-Treiber BM61S41RFV von ROHM realisiert. Der Vorlade-MOSFET wird über einen galvanisch-isolierten Optokoppler mit Phototransistorausgang angesteuert. Der maximale Laststrom des Trennschalters kann entweder über den Microcontroller oder im Stand Alone-Betrieb individuell über ein Potentiometer eingestellt werden.

 

Hohe Qualität von Vishay

Die Powerstage verfügt über zwei hochpräzise Shunts in Parallelschaltung von Vishay, welche sich durch ihre äußerst genaue bi-direktionale Messung des Batteriestroms auszeichnen. Die Signale der Strom-/ Spannungsmessung werden galvanisch getrennt (Floating Measurement) übertragen, durch Messsignalverstärker aufbereitet und an den Microcontroller weitergegeben. Die galvanische Trennung zur 12V-Seite übernehmen die neuen, linearen Automotive Optokoppler VOA300 von Vishay. Der zuvor erwähnte Optokoppler mit Phototransistorausgang ist Vishays VOMA617A.

Acht Hochspannungs-MLCCs von Vishay, von denen jeweils zwei in Reihe geschaltet sind, realisieren auf der HV-Seite die galvanisch getrennte Spannungsversorgung sowohl der Messsignalverstärker als auch des SiC-Treibers und der Optokoppler. Diese Versorgung beinhaltet eine Push-Pull Treiberstufe mit 50 kHz.

Das AURIXTM Board wird über eine Kabelverbindung angeschlossen und kann nach erfolgreicher Verbindung über eine bereits implementierte Software die aufbereiteten Messwerte ausgeben. Die Konfiguration und das Auslesen von Messwerten der eFuse mit AURIX-Steuerung erfolgt mittels einer vorhandenen CAN-Schnittstelle.


Exakte Messungen, Diagnosefunktion und Schutzvorkehrungen

Neben den präzisen Strom- und Spannungsmessungen verfügt das Konzept zusätzlich über eine Diagnosefunktion und weiteren Schutzmaßnahmen, wie die Over-Current-Detection mit einstellbarem Threshold, In- & Output Transientenschutz sowie zusätzlichen TVS-Dioden für die Sicherung der Stromversorgung. Die Überwachung der Eingangs- und Ausgangsspannung erfolgt über ratiometrische Schwellwerte, welche somit auch eine Benutzung für 400V-Systeme ermöglicht. Um Spannungs-Fluktuationen aufgrund eines hohen Treiberausgangsstroms zu reduzieren, wird der SiC-Haupttreiber über einen neuen Polymer-Tantal-Kondensator (T51-Serie von Vishay) gepuffert. Außerdem verfügt das Referenzdesign über eine Status-Anzeige mit LEDs sowie zwei Taster zum manuellen Steuern. Ausgestattet mit einem Gehäuse, das den Zugang zu allen Messpunkten erlaubt, ist auch der Berührungsschutz gewährleistet.

 

Für höchste Ansprüche und eine optimierte Time-to-Market

Das innovative Referenzdesign stellt Rutronik ausgewählten Kunden mit überdurchschnittlichen Anforderungen zur Verfügung und ermöglicht damit die schnelle und qualitativ hochwertige Umsetzung eines hochmodernen Schaltungskonzepts bei zukünftigen Projekten.

 

Über die Rutronik Automotive Business Unit (ABU)

Seit der Gründung im Jahr 2014 fokussiert sich die Automotive Business Unit (ABU) auf die strategischen Themen im vertikalen Marktsegment Automobilität. Die ABU unterstützt Unternehmen dabei, die Transformation im Automotive Markt nicht nur zu meistern, sondern davon zu profitieren. Zentral ist dabei die Ausrichtung auf moderne und wirtschaftliche Konzepte für die Mobilität von morgen.

Anfang 2020 hat die ABU eine Automotive Executive Community (AXC) gegründet. Hier kommen Entscheider von OEMs, Tier-1 und Tier-2 sowie Komponentenherstellern zu einer exklusiven Gemeinschaft der Experten zusammen. Die Automotive Executive Community öffnet Türen, die ansonsten auf operativer Ebene verschlossen blieben. Im Fokus stehen immer die kommenden Herausforderungen im Bereich der Automobilelektronik. Damit verfügen AXC-Mitglieder über einen Informationspool, z.B. zu den Trends der jeweiligen Hersteller, über aktuelle Marktgegebenheiten und die neuesten Innovationen.

 


Ansprechpartner:

Rutronik ABU   
Uwe Rahn, Director Automotive Business Unit | automotive(at)rutronik.com

Vishay   
Mustafa Dinc, Vice President Business Development Automotive | automotive(at)vishay.com

ROHM   
Katrin Haasis-Schmidt, PR & Content Marketing Manager | katrin.haasis-schmidt(at)de.rohmeurope.com