Keramische Aufbau- und Integrationstechnik für robuste Signal- und Leistungselektronik (KAIROS)

Ziel des Gesamtvorhabens ist die Erschließung der technologischen und funktionellen Vorteile einer neuartigen System-in-Package-Integration leistungselektronischer keramischer Leiterplatten in „High Temperature Co-Fired Ceramics“ (HTCC)-Technologie mit einer Steuerelektronik auf Basis eines aufgesetzten „Low Temperature Co-Fired Ceramics“ (LTCC)-Schaltungsträgers für Elektrofahrzeuge (EV). Ein wesentliches elektrisches Funktionsmodul im Elektrofahrzeug stellt der Umrichter dar, der die Spannungs- und Leistungsumsetzung zwischen dem elektrischen Energiespeicher und dem Antrieb vornimmt. Ziel ist die Demonstration eines intelligenten Leistungsmoduls als Schlüsselkomponente eines DC/AC-Umrichters, der auf Basis innovativer keramischer System-in-Package-Technologie den Leistungsbereich von zunächst ca. 10kW abdeckt.

AC/DC Umrichter

DC/AC-Umrichter in einem modernen Elektroantrieb

Das intelligente Leistungsmodul besteht aus Leistungsschaltern (z.B. IGBT), die von einem Treiber-ASIC angesteuert werden. Der ASIC beinhaltet einen primär- und zwei sekundärseitige Chips, womit sowohl die Ansteuerleistung als auch das Ansteuersignal für die Leistungstransistoren generiert wird. Die ASIC werden in einer hochtemperaturtauglichen CMOS-Technologie entwickelt werden und werden es ermöglichen, eine hohe Integrationsdichte der Gesamtfunktionen zu erreichen bzw. die Anzahl der benötigten diskreten SMD Bauelemente auf der LTCC-Steuer-Platine zu reduzieren und somit die Gesamtzuverlässigkeit bei hohen Temperaturen zu erhöhen. Die galvanische Trennung zwischen den ASIC wird durch LTCC-integrierte Transformatoren realisiert, wobei die Topologie dieses Übertragers die parasitären Elemente, wie zum Beispiel Koppelkapazitäten, berücksichtigen muss. Die Parameter eines solchen integrierten Transformators (Anzahl der Windungen, Geometrie, Kernmaterial) werden so ausgelegt, dass die Leistung für die Versorgung der Treiberstufe übertragen werden können. Da die Übertragung der Schaltsignale in der Regel höhere Frequenzen benötigt als die Übertragung der Leistung, wird im Rahmen dieses Projekts untersucht werden, ob die störsicherste Lösung für die Übertragung der Schaltsignale über einen getrennten Transformator im LTCC-Substrat, oder über ein anderes Übertragungsverfahren (wie z.B. über substratintegrierte Kondensatoren) robuster ist. Durch den Aufbau eines derartigen intelligenten Leistungsmoduls wird die konzeptionelle und technologische Basis für leistungsfähigere Umrichter geschaffen.

LTCC

Hybride Integration von DCB, LTCC und HTCC.

Als Partner in diesem Projekt verfolgt der Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente der Universität Erlangen die folgenden wissenschaftlichen Ziele:

Eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) zur intelligenten Ansteuerung von Leistungsbauelementen wird erforscht. Auf der LTCC-Platine befindet sich neben den passiven Bauelementen auch der Treiber-ASIC. Er beinhaltet drei getrennte Silicium Chips: eine Eingangsstufe (Input Stage) und zwei identische Treiberstufen (Driver Stage). Die Eingangsstufe erhält von Außen die Information in welchen Schaltzustand die beiden Leistungsschalter versetzt werden müssen. Diese Information kommt z.B. von einem Mikrokontroller (MCU). Die Eingangsstufe moduliert diese Information und überträgt sie über die galvanische Trennung (z.B. kapazitiver Übertrager). Diese galvanische Trennung ist erforderlich, da die CMOS Technologie, in der der Treiber-ASIC entwickelt wird, eine Spannungsfestigkeit von 45V garantiert, wogegen die Betriebsspannung der Leistungstransistoren über 400V liegen kann (600V Leistungstransistoren). Die galvanische Trennung ist auf der High-side unverzichtbar; aus Jitter-, Modularitäts- und Sicherheitsgründen wird sie auf der Low-side auch eingesetzt. Das bestgeeignete Modulationsverfahren sowie die optimale Kodierung für die Signalübertragung werden im Rahmen dieses Projekts untersucht. Die Signalübertragung soll bidirektional sein, damit im Fehlerfall (z.B. Übertemperatur der Leistungsschalter) von der Überwachungselektronik eine Meldung an den Mikrokontroller, der mit der Eingangsstufe verbunden ist, gesendet werden kann. Die Versorgung der beiden Treiberstufen wird durch induktive Energieübertragung (d.h. Transformator) von der Eingangsstufe gewährleistet. Der Treiber-ASIC soll dafür ausgelegt sein, Leistungsschalter bei Temperaturen bis 175°C effizient und zuverlässig anzusteuern. Ziel ist es für den LEB, ein modulares und flexibles Treiberkonzept zu entwickeln, das in zukünftigen DC/AC und DC/DC-Wandlern durch geringfügige Anpassungen wiederverwendet werden kann. Weiterhin erfolgen im Themenfeld der Aufbau- und Verbindungstechnik Untersuchungen zur Isolationsfähigkeit des zu realisierenden intelligenten Leistungsmoduls . Insbesondere sind hier die Auswirkungen erhöhter Betriebsspannungen (400V) und Frequenzen auf Luft- und Kriechstrecken zu berücksichtigen. Das intelligente Leistungsmodul soll als Testplattform für ein System-Benchmarking dienen und die Leistungsfähigkeit eines DC/AC-Umrichters zeigen.


Treiber-ASIC

Blockdiagram eines intelligenten Leistungsmoduls mit dem Treiber-ASIC, der aus drei Silicium Dies besteht (einer Eingangsstufe und zwei identischen Treiberstufen)

Unter Annahme der zu erwartenden Innovationen, die aus diesem Projekt resultieren, ist davon auszugehen, dass anhand eines kompakten, sehr energieeffizienten intelligenten Leistungsmoduls, die Vorteile von Leistungsbauelementen zusammen mit ihrem Treiber-ASIC für ein in der Zukunft in sehr großen Stückzahlen benötigtes leistungselektronisches System erfolgreich dargestellt werden.

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Letzte Änderung: 05.07.2013 - 06:38 Uhr GMT +1
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