Um eine emissionsfreie Zukunft zu erreichen, muss die Automobilindustrie dringend umgestaltet werden. Die Automobilhersteller müssen die Einführung differenzierter Elektrofahrzeugmodelle beschleunigen. NXP und Wolfspeed haben gemeinsam ein vollständig validiertes 800-V-Traktion-Wechselrichter-Referenzdesign vorgestellt, das Elektrofahrzeug-Systemarchitekten effektiv hilft, zahlreiche technische Hürden zu überwinden.

Analyse des Leistungswechselrichtermoduls

Um die Automobilpartner zu unterstützen und die Elektrifizierung von Fahrzeugen zu beschleunigen, haben NXP und Wolfspeed ein vollständig validiertes 800-V-Traktion-Wechselrichter-Referenzdesign vorgestellt. Dieses Design hilft Elektrofahrzeug-Systemarchitekten, mehrere Herausforderungen effektiv zu bewältigen, darunter die Auswahl geeigneter Komponenten zur Steigerung der Systemeffizienz, die Einhaltung von Anforderungen der funktionalen Sicherheitszertifizierung und die Sicherstellung langfristiger Zuverlässigkeit.

Das Referenzdesign für den Elektrofahrzeug-Traktion-Wechselrichter ist eine vollständige Systemlösung, die den Arm® Cortex®-M7-basierten S32K39-MCU, das funktional sichere FS26-System-Basis-Chip für das Power-Management und den hochmodernen Hochspannungs-Isolations-Gate-Treiber GD3162 integriert. Zur Vervollständigung des Systems enthält das Design außerdem das 1200-V-6er-YM-SiC-Leistungsmodul von Wolfspeed.

Vollständige ECU-Lösung basierend auf dem NXP-Referenzdesign und dem Wolfspeed-SiC-Leistungsmodul

Dieses Referenzdesign für den Elektrofahrzeug-Traktion-Wechselrichter wurde im Wolfspeed-Labor in München mit einem Hardware-in-the-Loop (HIL)-Aufbau gemeinsam getestet. Unter Betriebsbedingungen mit einer 800-V-Batterie überschritt die Spitzenleistung 300 kW.

Testergebnisse des HIL-Aufbaus im Labor

Effizientes Design: Dynamische Gate-Stärke zur Erfüllung unterschiedlicher Leistungsanforderungen

Laborsimulationen zeigten, dass die Gesamteffizienz um etwa 1% gesteigert werden konnte, dank der proprietären Funktion des Hochspannungs-Gate-Treibers von NXP. Diese Funktion ermöglicht es Entwicklern, die Stärke des Gate-Treibersignals je nach Echtzeit-Betriebsbedingungen dynamisch anzupassen und so ein Gleichgewicht zwischen Effizienz, Schaltgeschwindigkeit und elektromagnetischer Verträglichkeit zu erreichen. Gemäß einigen Modellen des Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure (WLTP) könnte dieses Design im Vergleich zu herkömmlichen Elektrofahrzeuglösungen die Reichweite um etwa 14 Meilen erhöhen.

Ergebnisse der Effizienzsteigerung

Entwicklung unter Berücksichtigung funktionaler Sicherheit: Über Gerätedokumentation hinaus – System-FuSa-Dokumentation

Im Bereich der funktionalen Sicherheit (FuSa) steht bei der Entwicklung konformer Komponenten stets hohe Qualität und Zuverlässigkeit an erster Stelle. Sicherheit zieht sich durch jeden Schritt des Designs, der Fertigung, der Dokumentation und des technischen Supports. Im Referenzdesign für den Elektrofahrzeug-Traktion-Wechselrichter werden Schlüsselkomponenten mit dem hohen Risikograd ASIL D eingesetzt, darunter der NXP S32K396 MCU, der FS2633 System-Basis-Chip und der GD3162 Hochspannungs-Gate-Treiber. Um die Integration für Kunden weiter zu vereinfachen, bietet das Design auch einige FuSa-Dokumente, wie z. B. das System-Sicherheitskonzept, das detailliert erläutert, wie Sicherheitsanforderungen von fiktiven Sicherheitszielen bis hin zur Hardware- und Softwareebene abgeleitet werden.

Schaffung eines zuverlässigen und langlebigen herausragenden Designs

Die Realisierung eines 800-V-Traktion-Wechselrichters erfordert Siliziumkarbid-Lösungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-IGBTs ist SiC-Material von Natur aus zuverlässiger und langlebiger. Wolfspeed hat die Gelegenheit genutzt, fortschrittliche Gehäusetechnologien in das automotive YM-Gehäuse zu integrieren, um die Haltbarkeit des Systems weiter zu verbessern.

Das 1200-V-6er-YM-SiC-Leistungsmodul verwendet eine direkt gekühlte Kupferrippen-Basisplatte. Durch das direkte Eintauchen der Rippen in das Kühlmittel wird die Systemmontage vereinfacht und die thermische Leistung deutlich verbessert. Darüber hinaus verwendet das Modul ein Siliziumnitrid-Substrat, ein robustes Keramikmaterial mit hervorragender Thermoschockbeständigkeit und Verschleißfestigkeit, das die von den Chips erzeugte Wärme effizient ableitet und so die Systembetriebstemperatur senkt. Ein weiteres innovatives Gehäusemerkmal ist die Sinter-Chip-Verbindungstechnologie. Diese fortschrittliche Chip-Verbindungsmethode schafft eine feste Verbindung zwischen Chip und Siliziumnitrid-Substrat, wodurch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und mechanische Haltbarkeit gewährleistet werden, die eine höhere Leistungsabgabe und hervorragende thermische Zyklenleistung unterstützt. Die direkte Kühlung der Kupferrippen-Technologie und die Sinter-Chip-Verbindungstechnologie verbessern gemeinsam die thermische Leistung und die Systemlebensdauer.

Das YM-Modul ersetzt herkömmliche Bonddrähte durch Kupfer-Oberseiten-Clips, was die Stromtragfähigkeit und die Leistungszyklenlebensdauer des Moduls erheblich verbessert. Gleichzeitig reduziert das optimierte Anschlusslayout die Gehäuseinduktivität und verringert Spannungsüberschwünge, wodurch extrem niedrige Schaltverluste erzielt werden. Um das Risiko mechanischer Ausfälle zu minimieren, verwendet das automotive YM-Modul ein Hartepoxidharz-Gehäuse. Im Vergleich zu gelbasierten Gehäusen bietet das Epoxidharz-Formmasse nicht nur hervorragende Feuchtigkeitsbeständigkeit, sondern auch eine höhere strukturelle Integrität. Durch die Kombination von Sinter-Chip-Verbindung, Kupfer-Clips und Epoxidharz-Formmasse wird die Lebensdauer des Moduls im Vergleich zu ähnlichen Konkurrenzprodukten um das Dreifache verlängert.

Wolfspeeds 6er-YM-SiC-Leistungsmodul

Diese fortschrittlichen Gehäusetechnologien gewährleisten, dass das AQG324-zertifizierte YM3-Leistungsmodul den Herausforderungen des Betriebs in anspruchsvollen automobilen Umgebungen standhalten kann. Dieses Design stellt eine konstante Leistung sicher und verleiht dem Modul eine außergewöhnliche Haltbarkeit.

Produkte von NXP

Das gemeinsam von NXP und Wolfspeed entwickelte 800-V-Traktion-Wechselrichter-Referenzdesign stellt einen wichtigen Schritt der Automobilindustrie in Richtung Elektrifizierung dar. Dieses Referenzdesign adressiert die zentralen Herausforderungen, denen sich EV-Entwickler gegenübersehen, darunter die Verbesserung der Energieeffizienz, die funktionale Sicherheit und die langfristige Zuverlässigkeit, um sicherzustellen, dass die Leistung von Elektrofahrzeugen mit der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor mithalten oder diese sogar übertreffen kann. Mit der dynamischen Gate-Stärke-Regelungstechnologie und den fortschrittlichen Siliziumkarbid-Leistungsmodulen ist dieses Referenzdesign ein wichtiges Werkzeug für EV-Entwickler, um hochwertige, energieeffiziente und sichere Elektrofahrzeugmodelle zu entwickeln und gleichzeitig sicherzustellen, dass sie während ihrer gesamten Lebensdauer eine hervorragende Leistung erbringen.