Abgas adé

Für den Einsatz in alle Hybrid- und Elektrofahrzeuge stehen die Skai 2-Module zur Verfügung

Skai Mosfet-Umrichter: ein sehr kompaktes System mit einer Leistungsdichte von 12 kVA/l

Als Zusatzantrieb in Hybridfahrzeugen oder als reiner Antrieb in Elektrofahrzeugen erhöht ein Elektromotor nicht nur den Gesamtwirkungsgrad, sondern reduziert auch die Komplexität gegenüber dem herkömmlichen Verbrennungsmotor. Anstelle von Abgas-verursachendem Benzin und Diesel liefert hier elektrischer Strom die notwendige Energie, welche entsprechend umgewandelt und im besten Fall rückgespeist werden soll. Diese Aufgabe übernehmen die hier vorgestellten Leistungselektronikmodule. Durch die Integration mehrerer Komponenten und der speziellen Druckkontakttechnologie entstand ein System, das die aktuellen Anforderungen und Qualitätsstandards der Automobilindustrie erfüllt.

Reduzierte Abgasemissionen und ein verringerter Kraftstoffverbrauch sind nach wie vor der Grund, weshalb die Automobil-Industrie die Technologie von Hybrid- und Elektrofahrzeugen stetig weiterentwickelt. Die Elektrifizierung des klassischen Verbrennungsmotors erhöht den Wirkungsgrad des Antriebs enorm, denn mit der bisherigen mechanischen Kopplung von Getriebe und Hilfsantrieb gingen immer Reibungsverluste einher. Zudem gestattet die Elektrifizierung neuartige Funktionen, wie beispielsweise die Kühlerreinigung durch Drehrichtungsumkehr des Gebläsemotors.

Dem elektrischen Antrieb in Kraftfahrzeugen gehört nach Meinung von Verbrauchern und Experten die Zukunft. Und wenn im großen Stil weltweit Hybrid-Fahrzeuge eingeführt werden, wird sich der momentane Leistungshalbleitermarkt verdoppeln, denn ohne Leistungselektronik können die Ströme in den elektrifizierten Antrieben nicht gehandhabt werden.

Hoch- und Niederspannungsversionen verfügbar

Für die Umwandlung von Gleichspannung (beispielsweise aus Batterien oder einer Brennstoffzelle) in Wechselspannung (zum Antriebsmotor) entwickelte Semikron das System Skai 2, das gleichzeitig die Möglichkeit der Energierückspeisung bietet. Für den Einsatz in allen batteriebetriebenen Fahrzeugen sowie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge in Landwirtschaft, Baugewerbe und Fördertechnik, stehen die Skai 2-Module, Semikron Advanced Integration nicht nur als Einfach-, Doppel- oder Mehrfachumrichter zur Verfügung, sondern auch als Niederspannungsvariante mit MOSFETs oder als Hochspannungsvariante mit IGBTs. Bereits 1998 trieben Leistungselektronik-Komponenten von Semikron den Audi Duo an. Die neuesten voll integrierten Komponenten sind mittlerweile zu 100 % lotfrei und für Hybridfahrzeuge optimiert. Mit einer Ausgangsleistung von 250 kVA für den klassischen Pkw-Markt schon fast überdimensioniert, eignet sich das Hochspannnungsmodul ideal für Elektro-Sportfahrzeuge. Der dreiphasige, wassergekühlte Wechselrichter ist mit 600- oder 1200-V-IGBTs bestückt und mit einem IP67-Gehäuse ausgestattet. Dieses beherbergt darüber hinaus einen Folien-Zwischenkreiskondensator, die Ansteuerung, einen DSP-Controller und EMI-Filter sowie Strom-, Spannungs- und Temperatursensoren. Seine Kommunikation mit der Fahrzeugsteuerung erfolgt über CAN-Bus.

Mit Luft oder Flüssigkeit gekühlt wird hingegen das Skai 2-Niederspannungsmodul. Der auf 50-, 100-, 150– oder 200-V-MOSFETs basierende Einfach- oder Doppelumrichter ist für Motorleistungen bis zu 55 kVA ausgelegt. Dennoch bietet er in Bezug auf Leistungsverhalten, Regelung, Ein- und Ausgangsschnittstellen sowie Systemstruktur dem Anwender nahezu dieselben Vorteile wie sein stärkerer Bruder.

Verbindungstechnik erfüllt Kfz-Anforderungen

Von Vorteil für die Anwendung in Kraftfahrzeugen ist neben ihrer verbesserten Kühlung vor allem die Verbindungstechnologie der Module, die sich zusammen mit der Federkontakt-Technologie bereits seit rund 20 Jahren bewährt hat. Diese von Semikron entwickelte und unter dem Namen „Skiip" bekannte Druckkontakt-Technologie verleiht den Skai 2-Systemen Robustheit, Temperatur- und Lastwechselfestigkeit – 10 000 passive Temperaturzyklen (Temperaturdifferenz 100 K), 3 000 000 aktive Temperaturzyklen (Temperaturdifferenz 50 K) – sowie eine lange Lebensdauer – mehr als 20 000 Betriebsstunden – wie sie im Fahrzeugmarkt gefordert werden. Indem das DBC-(Direct Bonded Copper-)Substrat lotfrei direkt auf den Kühlkörper gepresst wird, entsteht dank der homogenen Druckverteilung eine optimale thermische Verbindung zwischen den keramischen Substraten mit den Halbleiter-Chips und dem Kühlkörper.

Die Lebensdauer der Module ist zusätzlich erhöht, weil die Halbleiter nicht auf das Substrat gelötet sondern gesintert werden. Die Sinter-Verbindung, bestehend aus einer dünnen Silberschicht, sie weist einen besseren Wärmewiderstand als eine gelötete Verbindung auf. Zudem liegt der Schmelzpunkt von Silber wesentlich höher als bei Lot, wodurch eine frühzeitige Materialermüdung aufgrund der hohen, im Kfz-Bereich vorkommenden Temperaturen als Hauptursache für die begrenzte Lebensdauer von Leistungshalbleitermodulen von vornherein ausgeschlossen ist. Ermüdungserscheinungen in den Draht-Bonds minimiert Semikron mit einem optimierten Herstellungsprozess. Zuverlässigkeit und Qualität der Systeme und Halbleiterkomponenten werden durch zahlreiche Tests sichergestellt, darunter auch ein seriengerechter Burn-In-Test.

Zur Skai 2-Familie gehört noch ein drittes Mitglied, nämlich ein integriertes Multi-Converter-System. Ebenfalls in einem IP67-Gehäuse untergebracht, können via CAN-Bus-Kommunikation ein dreiphasiger 40-kVA-Active-Front-End-Umrichter sowie je ein 10- und 20-kVA-Antriebswechselrichter (3-phasig) und ein 14 V/300 A- beziehungsweise 28 V/165 A-DC/DC-Wandler angesteuert werden.

Standard garantiert Qualität und Verfügbarkeit

Alle drei Varianten sind als Serienprodukt schnell verfügbar und wegen der optimalen Abstimmung der Kompletteinheit höchst zuverlässig. Jedoch lassen sie sich kundenspezifisch modifizieren, allen voran die Kühlung der MOSFET-Umrichter. Flexibilität bietet auch die Anschlusstechnik. Neben der standardmäßigen Kabelverschraubung, deren Anschlüsse für den Kfz-Einsatz natürlich berührsicher und wasserdicht untergebracht sind, besteht auch die Op- tion, so genannte IPTs zu verwenden. Damit kann der Anwender sicherstellen, dass nach dem Design-In mit Kabelverschraubung mit der IPT-Verschraubung eine seriengerechte Kabelkonfektion verfügbar ist.

Semikron; Telefon: 0911 6559-0; E-Mail: annette.mueller@semikron.com