Das gemeinsam von Rutronik ABU und Vishay entwickelte Referenzdesign für einen High Voltage Circuit Breaker dient zum Abtrennen von Nebenaggregaten auf der Hochvoltseite, um im Fehlerfall größeren Schaden zu vermeiden. Nach ersten erfolgreichen Tests wurde das Referenzdesign nun weiter optimiert.
HV-Schalter (High Voltage) sind ein unverzichtbares Bindeglied innerhalb einer HV-Architektur moderner Battery Electric Vehicles (BEV). Die 2.0-Variante des HV-Schalters (High Voltage Circuit Breaker, HVCB) der Automotive Business Unit von Rutronik (ABU) und der Automotive-Sparte von Vishay zeichnet sich durch größere Robustheit und weiter gereifte Seriennähe aus als die erste Version (Bild 1).
Das im 3D-Verfahren entstandene Gehäuse wurde ebenfalls an das neue Design angepasst. Die Halbleiterlösung ersetzt bisherige Optionen, die mechanische Relais nutzten. Mit dieser In- novation bietet Rutronik ABU eine zukunftsfähige Lösung, die bei einem Fehlerfall wie Kurzschluss oder Überspannung die Last sehr schnell und sehr sicher abschaltet.
In elektrischen Fahrzeugen der nächsten Generation werden bis zu drei verschiedene Spannungsebenen identifiziert: Das 12-V-Bordnetz für kleine Aktuatoren und sämtliche Steuergeräte, 48 V für größere Stromverbraucher wie Wasserpumpen, elektrische Lenksysteme (EPS, Electric Power Steering) oder Kühlerlüfter sowie das 400- bis 800-V-Bordnetz, welches das Batteriepack und die größten Verbraucher wie zum Beispiel den Inverter, den Hochvoltheizer, den OBC (On-Board Charger), den HV/LV-DCDC-Converter (High/Low Voltage) und die HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning) enthält. Speziell der Hochvoltbereich erfordert ein Höchstmaß an Sicherheit und Verlässlichkeit bei allen verbauten Komponenten. Auch sind HV-Anwendungen mit höheren Spannungen wie etwa 1000 V bereits in der Entwicklung. Eine Anpassung des Referenzdesigns an höhere Spannungen ist ebenfalls möglich.
Bislang wurden für diese Schutzmaßnahme mechanische Relais eingesetzt. Diese weisen jedoch einige Nachteile auf: Lichtbögen, die beim Schalten unter Last entstehen können, beschädigen das Relais dauerhaft und sorgen somit für eine vorzeitige Alterung. Hohe Schaltverluste resultieren aus dem relativ langsamen Schaltverhalten. Entsprechend entsteht mehr Wärme, was unter Umständen zusätzlich eine aktive Kühlung erfordert, sollte bei einem Nebenaggregat ein Fehlerfall eintreten. Die Lösung dafür ist ein intelligenter, rücksetzbarer und verlustarmer HV-Schalter.
Der HV-Schalter besteht schaltungstechnisch aus einer isolierten 800 V Powerstage mit einer 12-V-Mess- und Auswerteelektronik und einem Aurix TC375 Lite Kit (Bild 2). Realisiert wird das Konzept des HVCBs 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 Aurix-Mikrocontroller der zweiten Generation von Infineon.
Mit Rohms 1200-V-SiC-MOSFETs im SMD-Gehäuse und einer genau abgestimmten Ansteuerung über einen SiC-Gate-Treiber ist der HVCB in der Lage, Leistungen bis zu 40 kW zu schalten. Statisch betrachtet erreicht die dabei entstehende Verlustleistung circa 15 W. Die dadurch entstehende Wärme kann bei Raumtemperatur (25°C) passiv abgeleitet werden. Damit übertrifft das Konzept die Anforderungen von Premium-OEMs. Die Werte vom dynamischen Schaltverhalten werden noch labortechnisch ermittelt.
Der HV-Schalter verfügt über einen Vorladepfad, mit dem kapazitive Lasten über einen SiC-MOSFET, zwei in Reihe geschaltete Vorladewiderstände und einem implementierten Pre-Charge-Modus (25 ms und 250 ms) vorgeladen werden können. Hierbei überprüft der HVCB nach den vorgegebenen Zeiten, ob entsprechende Spannungsschwellen erreicht worden sind, um somit einen möglichen Überstrom beim Einschalten zu verhindern. Zusätzlich zu den fest verbauten Vorladewiderständen können parallel ebenfalls externe Vorladewiderstände über zwei Buchsen angeschlossen werden. Dies macht es möglich, den Vorladewiderstand abhängig von der kapazitiven Last anzupassen. Die Ansteuerung der Haupt-MOSFETs ist über den galvanisch getrennten SiC-Treiber BM61S41RFV von Rohm realisiert. Der Vorlade-MOSFET wird über einen galvanisch getrennten Optokoppler mit Phototransistorausgang angesteuert. Der maximale Laststrom des Schalters kann entweder über den Mikrocontroller oder im Stand-alone-Betrieb individuell über zwei Drehschalter eingestellt werden.
Bei der Auswahl der verwendeten Komponenten wird auf Innovation, Robustheit und Spannungsfestigkeit besonderer Wert gelegt: Die Powerstage verfügt über zwei hochpräzise Shunts von Vishay, die sich durch ihre äußerst genaue Messung des Batteriestroms auszeichnen. Um auch einen möglichen Stromrückfluss messen zu können, wird die Messung bidirektional ausgeführt. Die Signale der Strom- und Spannungsmessung werden galvanisch getrennt übertragen (Floating Measurement), durch Messsignalverstärker aufbereitet und digital an den Mikrocontroller weitergegeben. Der HV-Schalter agiert dadurch »intelligent«. Die galvanische Trennung zur 12-V-Seite übernehmen die neuen, linearen Automotive Optokoppler VOA300 von Vishay. Diese zeichnen sich durch einen großen Kopplungsfaktor und hohe Bandbreite aus, sind nach Jedec-Standard J-STD-020 Reflow-lötbar und bilden eine sehr kostengünstige und störunanfällige Lösung. 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 eine Impedanzkopplung der Spannungsversorgung sowohl der Messsignalverstärker als auch des SiC-Treibers und der Optokoppler. Dadurch wird die hohe Gleichspannung der Hochspannungsseite von der Niederspannungsseite entkoppelt und ermöglicht dennoch die Versorgung der Komponenten auf der Hochspannungsseite. Diese Versorgung beinhaltet eine Push-Pull-Treiberstufe mit 50 kHz. Da der HVCB nahe an der jeweiligen Last platziert wird, fallen die Leitungsinduktivitäten niedrig aus. Dennoch verfügt der HVCB nun über einen parallelen Snubber-Kreis um Spannungsspitzen beim Schalten dieser induktiven Last zu verhindern. Ein Schalten von großen induktiven Lasten wie Motoren ist bisher nicht vorgesehen.
Das Aurix-Board wird über eine Kabelverbindung (I²C) angeschlossen und kann nach erfolgreicher Verbindung über eine bereits implementierte Software die aufbereiteten Messwerte ausgeben. Die Konfiguration und das Auslesen von Messwerten des HVCBs mit Aurix-Steuerung erfolgt mittels einer vorhandenen CAN-Schnittstelle auf dem Aurix-Board.
Neben den präzisen Strom- und Spannungsmessungen verfügt das Konzept zusätzlich über eine Diagnosefunktion und weitere Schutzmaßnahmen, wie die Over Current Detection mit einstellbarem Threshold (digital in der Software oder analog über Drehschalter), eine MOC (Massive Over Current) Detection mit geringerer Auslösezeit für sehr hohe Kurzschlussströme, In- und Output-Transientenschutz sowie zusätzliche TVS-Dioden für die Sicherung der Stromversorgung. Die Überwachung der Eingangs- und Ausgangsspannung erfolgt über ratiometrische Schwellwerte, die somit auch eine Benutzung für 400-V-Systeme ermöglicht.
Um im Einschaltvorgang Spannungsfluktuationen im Ansteuerpfad der SiC-MOSFETs zu vermeiden, ist der SiC-Treiber für die Haupt-MOSFETs über einen neuen Polymer-Tantal-Kondensator (T51-Serie von Vishay) gepuffert. Die Temperaturüberwachung erfolgt nun nicht mehr analog über einen NTC und galvanisch getrennte Wärmebrücken, sondern digital über ein IC mit PWM-Ausgang. Durch einen AD-Wandler werden die Messwerte direkt auf dem HVCB-Board ausgewertet. So ist die Kommunikation zum Aurix-Board rein digital und weniger störanfällig.
Außerdem verfügt das Referenzdesign sowohl über eine Statusanzeige mit LEDs als auch zwei Taster zum manuellen Steuern. Neu hinzugekommen sind weitere LEDs zum Anzeigen der anliegenden Hochspannung an der Ein- und Ausgangsseite sowie ein EEPROM zum lokalen Abspeichern von Messwerten. Durch diesen lokalen Speicher ist ein Eventlog möglich, wodurch das Auslesen und der Betrieb des HVCBs erleichtert wird.
Mit der Entwicklung von Referenzprodukten und dem Anbieten neuer Dienstleistungen, die den zukünftigen Anforderungen kommender E-Fahrzeug-Plattformen entsprechen, definiert Rutronik ABU den Begriff »Design Service« in der Distribution neu. Das Referenzdesign des HV-Schalters stellt Rutronik ausgewählten, im Automotive-Markt führenden Kunden aus der Tier-1-Ebene kostenfrei zur Verfügung. Dazu gehört auch eine umfangreiche Dokumentation und eine vollständige Bill of Material (BOM) mit allen von den ABU-Experten selektierten Komponenten. Das ermöglicht eine schnelle und qualitativ hochwertige Umsetzung eines hochmodernen Schaltungskonzepts bei zukünftigen Projekten.
absolvierte nach seiner Ausbildung als Elektroniker für Betriebstechnik einen Bachelor- und Masterabschluss in Elektrotechnik an der Fachhochschule Kiel. Seit 2018 ist er Field Application Engineer in der Rutronik Automotive Business Unit und zuständig für die technische Unterstützung des Vertriebs.
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