Dr. Martin März© Fraunhofer IISB
1
DRIVE-E Akademie 2011 Berlin, 14.-18. Februar
Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie,Zentrum für Kfz-Leistungselektronik und Mechatronik (FhG IISB-ZKLM)Landgrabenstrasse 94 ● 90443 Nürnberg ● Tel. 0911/235 68-10, Fax -12www.zklm.iisb.fraunhofer.de
Dr. Martin März
Leistungselektronik für e-FahrzeugeKonzepte und Herausforderungen
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Historie
Historie
1900 1960 1970 1980
Ein Elektroauto knackt alserster PKW die 100 km/h
Erster Hybrid-PKW(Lohner-Porsche Mixte)
Si Leistungsdiode Leistungsmodul
Bipolar-Leistungstransistor
IGBT
Leistungs-MOSFET
Kfz-Elektronik der 70-er JahreDrehstrom-GeneratorTransistorradioTransistorzündung, elektr. Benzin-einspritzung (nur als Sonderausst.)
Erfindungen
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Historie
M M
DC-Motoren
Mechanischer Kommutator (Bürsten)begrenzte Standzeit, Wartungsbedarflimitierter Drehzahlbereichvoluminös, teuer
Regelung via Schalter und Widerständeineffizientunkomfortabel
Leis
tung
sele
ktro
nik
statt m
echa
nisch
er K
ommu
tieru
ng
AC-Motorenmit elektronischer Kommutierung
Historie
µC-S
teue
rung
EMV
Filte
r
M
Schu
tz-un
d Diag
nose
Gat
e-Tr
eibe
r
AC
DCIDC IAC
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Wirkungsgrad 1) eines Antriebsumrichters
100% M97%
Moderne Umrichtersind hoch effizient, erlauben optimale Motorausnutzung bzgl. Dynamik, Drehmoment undDrehzahlbereich, sindrückspeisefähig (Rekuperation),langlebig und wartungsfrei.
Leistungsbilanz
1) ermittelt an einer 100 kW PM-Maschine
Leistungsumformung mit höchster Effizienz
Drehzahl [1/min]
Dre
hmom
ent
[Nm
]
0.85
0.90
0.970.
95
100 kW
80 kW
60 kW
40 kW
20 kW
0 2000 4000 6000 8000
200
150
100
50
0
AC
DC
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Hochlast-VerbraucherKlima-Kompressorx-by-wireaktives FahrwerkAnbauaggregate (NFZ)
14 VBordnetz
DC
DC
DC
DC
HybridfahrzeugeElektrischerAntriebsenergie-speicherSuperCapsNiMH, Li-Ion,...
DC
DC DC
xC
AC
DC
Plug-in Hybride und Elektrofahrzeuge
Brennstoffzellenfahrzeuge
AC
DC HV-Bordnetz
Leistungselektronik – Schlüsselsysteme für die Autos von morgen !
optional
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
„Hochspannungs“-Bordnetz
14 VBordnetzDC
DC
Klimakompressor
Elektrischer Energiespeicher
Fahrantrieb
Das HV-Bordnetz muß aus Sicherheitsgründen (Berührschutz) vollständig (allpolig) vom Fahrzeug-Chassis elektrisch isoliert sein (sofern VHV > 60V).
AC
DC
AC
DC DC
DC
VHVChassis
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Spannungs- und Leistungsklassen
Micro-/Mild-Hybrids, Elektro-KleinstwagenE-Motorleistung: 5...20kWHV DC-Spannung: 42V...250VLeistungsschalter: MOSFET (IGBT)
Full-Hybrids, Elektro-KleinwagenE-Motorleistung: 20...60kWHV DC-Spannung: 200 V...450 (650)VLeistungsschalter: IGBT
FCEV und BEV 1), Power-Hybrids,Nutzfahrzeuge
E-Motorleistung: >60kWHV DC-Spannung: 350 V...750 VLeistungsschalter: IGBT
Star
t-Stop
Boos
t
Elek
trisch
es
Fahr
en
( )
Realisierbare Fahrzeugfunktionen:
HondaCIVICIMA
ToyotaPrius
DaimlerF600
1) FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle (Brennstoffzellenfahrzeug)BEV: Battery Electric Vehicle
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
0 1 2 3 4 5 6
100
80
60
40
20
0
Spannung [V]
Stro
m [
A]
IGBT
SJ MOSFET
IGBTStatische Ausgangscharakteristik
SJ-MOSFET
W/mm2
2 31
Dynamische Charakteristik
I
VDS
VCEt
V
ICEIDS
t
Current tail
EinschaltenEinschalten
AusschaltenAusschalten
n-sub
p+ n+
C
E G
p+
600V SchalterChipfläche: 25 mm2
Tj = 175°C
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
50 100 150 200 250 300 350 400 450
Zwischenkreisspannung VHV [V]
Um
richt
erko
sten
[a.u
.]
MOSFETIGBT
Antriebsleistung = const.Antriebsleistung = const.
( ) 10Speicher Kosten kVnK HV ⋅+∝
Energiespeicher
Aktive Masse (= Energieinhalt)Anzahl seriengeschalteter Zellen n; der Faktor k1beinhaltet den Aufwand für:
Einzelzellenelektronik (Balancing),Zellenverschienung (incl. Montage), etc.
Die HV-Bordnetzspannung ist Resultat einer individuellen Gesamtsystemoptimierung!
Antriebsumrichter VHV = ?
Optimale Traktionsspannung ?
Mit steigender Spannung sinken auch die Kabel-querschnitte, d.h. Kabelkosten und -gewichte.
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Antriebsumrichter
0 20 40 60 80 100Entnommene Ladung [%]
4,03,53,02,52,01,51,00,5
0
SuperCap
LiFePO 1)
Zelle
nspa
nnun
g[V
]
1) bei Entladung mit 4C und 25°C
Ges
amtc
hipf
läch
e [c
m²]
50
40
30
20
10
050 100 150 200 250 300 350 400 450
Max. Zwischenkreisspannung VHV,max [V]
MOSFETIGBT
P = 75 kVAP = 75 kVA
Mehraufwand für Nenn-Antriebsleistung über den vollen Zellenspannungsbereich
gestrichelt: VHV = const.
Energiespeicher Traktionsspannung
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Einstellbare, vom Belastungs- und Lade-zustand unabhängige Traktionsspannung!
VC,max
ΔVC /VC,max10% 75%
Mit einem DC/DC-Wandler zum „idealen“ elektrischen Energiespeicher
Nutzbares Energiespeichervermögen: 19% 94%
Span
nung
shub
am
Sup
erC
ap
2max,2
1max, CC VCE =
Im Kondensator maximal speicherbare Energie:
( )2min,
2max,2
1CCC VVCE −=
davon abhängig von der minimal zulässigen Klemmenspannung tatsächlich nutzbar:H
V-Bo
rdne
tz
VHV = const.
Ener
gies
peic
her
Traktionsspannungsstabilisierung
Beispiel: SuperCap
VC,min
DC
DC
DC
DC
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
+10
+8
+6
+4
+2
0
-2Wirk
ungs
grad
ände
rung
[%
]
0 20 40 60 80 100Wellenleistung [kW]
Gesamtwirkungsgrad Antriebsstrang mit Traktionsspannungsstabilisierung
AC
DC
VHV = const.
+7
+6
+5
+4
+3
+2
+1
0
Art
emis
Jam
NEF
Z
Art
emis
Hig
hway
Wirk
ungs
grad
ände
rung
[%
]
Effizienzsteigerung durch Leistungselektronik
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Halbbrücken-Topologie Bidirektionaler EnergietransferSpannungsfenster können/dürfen sich nicht überlappen!Kein Abschalten eines hoch-spannungsseitigen Kurzschlusses möglich!
VHV
VHV
VLV
V1 V2
Vollbrücken-Topologien Bidirektionaler EnergietransfermöglichSpannungsfenster dürfen überlappenBeidseitiger Kurzschlußschutz möglich
VLV
Spannungsanpassung ohne galvanische Isolation Buck/Boost-Topologien
DC
DC
DC
DC
V1 V2V1 V2
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
C1
C3
C2
Miniaturisierung in der Leistungselektronik
EMVFilter
Ansätze zur Erhöhung der LeistungsdichteErhöhung der SchaltfrequenzOptimierte Schaltungstopologien (Mehrphasigkeit, Resonanzwandler, etc.) Leistungsfähigere aktive und passive BauelementeVerbesserte KühlungMultifunktionale Integration
Luft
Passive Bauelemente
Kühlung
Halbleiter
Typ. Volumensverteilung in Leistungswandlern
Aufbau- und Verbindungstechnik
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Traktionsspannungsstabilisierung Eckdaten eines modernen1) HV-DC/DC-Wandlers
1) Benchmark-Design
Wirkungsgrad: >96% (20...100 kW)Volumen: 4 Liter ( Leistungsdichte: 25 kW/dm3)Ein-/Ausgangsspannung: bis 450VKlemmenstrom: bis ±300A (bidirektional)
Technisches Konzept 12-phasiger Buck-Boost-Wandlerschnelle Si-IGBT mit SiC-Freilaufdioden100 kHz Schaltfrequenz (= 1,2 MHz Zk-Grundwelligkeit)hoch optimierte Aufbautechnik und Kühlungvoll-digitale Regelung (incl. CAN-Interface)
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
14 VBordnetz
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
DC/DC-Wandler (isolierend)
zusätzlich zu hoher Effizienz:hohe Regeldynamik (kein „Load-dump“), geringes Gewicht, Wartungsfreiheit.
Generator
Ausgangsleistung [kW]
Wirk
ungs
grad
[%
]
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2
1009998979695949392
Drehzahl [1/min]
Gen
erat
orst
rom
[A]
0 10.000 20.000
180160140120100806040200
65%
60% 55% 50
% 45% 40% 35%
Wirkungsgradkennfeld eines Klauenpolgenerators
Wirkungsgrad
DC
DC14V400V
14V Bordnetzversorgung
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Eckdaten eines modernen1) isolierenden DC/DC-Wandlers
Wirkungsgrad: >96% (25% ... 90% Pnenn)Eingangsspannung: 240 V ... 400 VAusgangsspannung: 14,4 V Ausgangsstrom: 180 A Ausgangsleistung: 2,5 kW Bauvolumen: ¼ Liter
Leistungsdichte: 10kW/dm3
1) Benchmark-Design
14V Bordnetzversorgung
DC
DCLVHV
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
14 VBordnetz
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Intelligente Netzkopplung Batterie Laden
Mobile Steckdose
Verbesserung der Netzqualität
AC
DC
Multifunktionales on-board LadegerätGalvanisch isolierendLeistung: ca. 2 kVA Bauvolumen: ca. 1,5 Liter
Drei FunktionenEin Wechselrichter !
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Fahr
zeug
gren
ze
Vbat
M
M
Der intelligente Doppelantrieb als kostengünstiges on-board Schnellladegerät
Buck/Boost Wandler
Fahrantriebe DCoder
AC
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Hochvolt-Kabel und -Stecker sind teuer, schwer und erfordern Zusatzaufwand für elektrische Sicherheit und EMVKühlwasserverrohrung/-verschlauchung ist teuer und fehleranfälligIndividuelle Gehäuse für einzelne leistungselektronische Systeme sind teuer
Systempartitionierung – aber wie ?
OptionenZentrale Leistungselektronik
Verteilte Systeme.... ( die beste Lösung = ? )
AC
DC
AC
DC
DC
DC14 V
BordnetzDC
DC
AC
DC
Energie-speicherBildquelle: Toyota
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Probleme Eine Vielzahl geschirmter Hochvolt-Kabel und Hochstromsteckkontakte1)
Hohes ZusatzgewichtHoher Aufwand für Sicherheit, Zuverlässigkeit und EMV
Partitionierungskonzept Zentrale Leistungselektronik
BatterieKlima-
kompressor M
1) im Beispiel 11 HV-Kabel und 22 Steckkontakte
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
AC
DC
Intelligenter Antrieb
„Platziere die Leistungselektronik dorthin wo sie ihrer Funktion nach hingehört!“Wirkortnahe Systemintegration
14VBordnetz
AC
DC
DC
DC
Zells
ymm
etrie
rung
Sich
erhe
itsüb
erw
achu
ng -
BMU
DC
DC
Energiemanagementsysteme in den Speicher
Umrichter an/in den Elektromotor
Intelligente Batterie
HVBordnetz
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Partitionierungskonzept Wirkortnahe Systemintegration
M
AC
AC
DC
AC
AC
DCSmart
BatteryIntelligente
BatterieIntelligenteAntriebe
Vorteile Minimale Anzahl an geschirmten Hochvolt-Kabeln und Hochstromsteckkontakten1)
Keine AC-belasteten Kabel (reine Gleichspannungsverkabelung)!Kosten und Zusatzgewicht sind minimiert
1) im Beispiel 2 HV-Kabel („daisy chain“ Verkabelung möglich) und 6 Steckkontakte
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Kostenreduzierung durch wirkortnahe Integration (Systemintegration)
Kos
ten
Technologie-Reifegrad, Produktionsvolumen
SeparatSeparat
Hohe VibrationenReduzierte Kühlmittel-temperatur (60-70°C) Hohe Vibrationen
VKM-Kühlkreislauf (115°C)
SystemintegriertSystemintegriert
1997 2005 2012
Geringe VibrationenReduzierte Kühlmittel-temperatur (60-70°C)
AngebautAngebaut
Bildquellen: Toyota, Ford, FhG-IISB
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
1) Sonderfall Toyota HSD 2) je nach Antriebsleistung (bei Sportwagen und Nfz auch deutlich darüber)
Hoher Wert: ●●●: sehr wichtig ●●: wichtig ●: wünschenswert ○: weniger wichtig ○○○: unbedeutend
Hybrid (HEV) Elektroauto (EV)
Kühlmitteltemperatur (max.) 115°C 85°C
Leistungsdichte ●●● ●
Wirkungsgrad ● ●●●
Traktionsspannung < 450V 1) 50 ... 450V 2)
Ströme (HV-Bordnetz) 50 ... 200 A 100 ... 400 A
Ströme (12V-Bordnetz) 200 ... 300 A 100 ... 200 A
Systemanforderungen
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
e-Antriebsplattform und -baukasten des Fraunhofer-IISB/ZKLM Elektrische Energiespeicher
Elektrische Antriebseinheiten mit integrierter Leistungselektronik
DC
AC
Netzankopplung
Smart Battery
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Bidirektionaler DC/DC-Wandler(50 kW, luftgekühlt)
Modularer Zellenstack incl. Zellüberwachung, aktivem Balancing
LiFePO4 Zellen (luftgekühlt)Nennspannung: 320 VEnergie: 2,4 kWh
Starterbatterie (14 V, Li-Ion)
Bordnetz DC/DC-Wandler (14 V, 2 kW)
Multifunktionales Netzinterface(rückspeise- und inselnetzfähiges Ladegerät)
Hybrid-TT (Plug-in Hybrid)
BMU (Battery Management Unit)
Intelligente Batterie
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Konzepte
Eckdaten Zwei unabhängige AsynchronmotorenEinzelradantrieb (20kW, 500 Nm je Rad)
Integrierter Doppelumrichter (300...400Vdc)
Elektrischer Einzelrad-Achsantrieb
Gemeinsamer DC-ZwischenkreiskondensatorPhasenstromsensoren
Neuartige direktgekühlte IGBT-Leistungsmodulemit isolierenden, diagnosefähigen Gate-Treibern
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Belastungsprofile
Zeit in s
Ges
chw
indi
gkei
tin
km/h
US06
NEFZ
Thermische ZeitkonstantenFahrzyklen
Passive Bauelemente60...600 sec
Leistungshalbleiter0,01....5 sec
Elektromotor300....3000 sec
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Thermische ModelleStatische und transienteBauteiltemperaturen
Lebensdauer undZuverlässigkeitsmodelle
Leistungs-elektronik
Design
StrömeSpannungen
WirkungsgradeFahrleistungen, Verbrauch,Reichweite
FahrzyklusFahrzeug- und
Antriebsstrang-modelle
Verlust-berechnungen
Matlab/Simulink
Virtual System Engineering
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Geschwindigkeitsfahrzyklen Fahrzeugmodell Leistungsfahrzyklen
Zeit in s
Ges
chw
indi
gkei
tin
km/h
NEFZUS06NEFZUS06
US06
NEFZ
Zeit in s
Leis
tung
sanf
orde
rung
in W
att
NEFZUS06NEFZUS06US06
NEFZ
Virtual System Engineering
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Elektronische Bauelemente Elektrische Verbindungen (z.B. Leiterbahnen, Folienleiter, Leadframes, Bond-Drähte, Lotkugeln, o.ä.)
Elektrische Isolation, Leiterfixierung (Polymere, Keramiken)
ElektrischeVerschaltung
Bodenplatte Wärmespreizungmechanische Halterung Mechanische
OptionenThermal Interface Material (TIM)bei lösbaren Verbindungen zum Kühlkörper
Wärmetauscher Transformation des über Wärmeleitung geführten Wärmeflusses in einen durch Konvektion und/oder Strahlung getragenen Wärmefluß
Kühlmittel (Luft, Wasser/Glykol)
GrundlagenAufbautechniken
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Indirekte KühlungMit oder ohne Bodenplatte möglichMechanische Trennebene verursacht unnötige Wärmebarriere.Abstimmung der thermischen Ausdehnungs-koeffizienten (CTE) einer Vielzahl von Materialien notwendig.Fehleranfällige (TIM) und teuere Montage
Leistungsmodule (mit einseitiger Kühlung)
Direktkühlung BodenplatteNiedriger thermischer Widerstandmit hoher LangzeitstabilitätAbstimmung der CTEs einer Vielzahl von Materialien notwendig
Direktkühlung SubstratGeringstmögliche Anzahl an unterschiedlichen Materialien und InterfacesNiedriger thermischer Widerstand (mit kosten-günstigen Turbulenzkörpern, vgl. ShowerPower™)Nachteilig: etwas geringere Wärmekapazität
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Zeit in s
IGB
T-Te
mpe
ratu
rin
°C
ohne Bodenplattemit Bodenplattedoppelseitige Kühlung
ohne Bodenplattemit Bodenplattedoppelseitige Kühlung
Zeit in s
IGB
T-Te
mpe
ratu
rin
°C
ohne Bodenplattemit Bodenplattedoppelseitige Kühlung
ohne Bodenplattemit Bodenplattedoppelseitige Kühlung
Antriebsumrichter - IGBT Chiptemperaturen
NEFZ US06
Zeit in s
IGB
T-Te
mpe
ratu
rin
°C ohne Bodenplattemit Bodenplatte
doppelseitige Kühlung
Zeit in s
IGB
T-Te
mpe
ratu
rin
°C ohne Bodenplattemit Bodenplatte
doppelseitige Kühlung
Temperaturzyklen – die Herausforderung für jede Leistungselektronik
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Chip
Bodenplatte
Lebensdauer unter TemperaturwechselbelastungBeispiel: Standard-Leistungsmodul mit Al2O3-DCB und Bodenplatte
Ergebnisse aus Forschungsprojekt LESIT
Kupfer●Aluminiumoxid-Keramik●Kupfer (DCB)
Temperaturzyklen – die Herausforderung für jede Leistungselektronik
FaustregelEine Erhöhung des Temperaturhubs
um 20 Kelvin führt zu einer Reduzierung der Lebensdauer
um etwa eine Größenordnung !
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Schadensbilder an Leistungsmodulen
DCB-Substrate Al-Draht-Bonds
Bildquelle: FhG-IISB
Temperaturzyklen – die Herausforderung für jede Leistungselektronik
Bond lift-off
Ablösung (Delamination)Keramik – Metallisierung
Keramik-Risse
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Leistungselektronik für e-Fahrzeuge • Herausforderungen
Beispiel: Kostenstruktur Antriebsumrichter
Zwischenkreis & EMV-FilterOptimierung der Kondensatoren (Energie u. Strom je Euro) Optimierung Zwischenkreis-strukturen und Filter-komponenten
LeistungshalbleiterReduzierung der Durchlaß- und SchaltverlusteErhöhung von „Ampere per Euro“Optimiertes, steuerbares Schalt-verhalten (EMV)
Aufbautechnik & Kühler Erhöhung der Temperatur- undLastwechselfestigkeit (spez. (ΔTj)max ) Reduzierung des Wärmewiderstands(z.B. durch Wärmespreizung u/odoppelseitige Kühlung)
Steuerung & SensorenAnwendungsspezifische ICs für Gate-Treiber und Signal-konditionierungLow-cost Stromsensoren und Positions-/Drehzahlgeber„Sensorlose“ Motorregelverfahren
Hebel zur Kostensenkung und Forschungsbedarfe
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DRIVE-E Akademie 2011 Berlin, 14.-18. Februar
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
Ihr kompetenter Partner in allen Fragen der Leistungselektronik
Fraunhofer-IISB
Gemeinsam die Zukunft gestalten !