Entwicklung eines Messverfahrens zur Bestimmung der EMV-Eigenschaften von Hochvolthalbleitern für elektrische Antriebe in Elektrofahrzeuge

In Elektro-und Hybridfahrzeugen vervielfacht sich die elektrische Leistung gegenüber konventionellen Fahrzeugen signifikant. Der Frequenz- und insbesondere der Leistungsumfang der daraus resultierenden elektrischen Störungen erweitern sich erheblich. Die Ursache der Störungen ist maßgeblich die schaltende Arbeitsweise der Hochvolt (HV) -leistungshalbleiter, die im Umrichter eines Traktionssystems implementiert werden.

Der Aufbau und das Package von diesen IGBT (insulated-gate bipolar transistor)-Modulen müssen auf Zuverlässigkeitsgründen vor allem unter funktionalen und thermischen Gesichtspunkten getroffen werden. Daher werden die für den Elektronikeinsatz im Fahrzeug geltenden Anforderungen an die zugelassene Störaussendung deutlich überschritten.

Die EMV-Eigenschaften von Elektroniksystemen für Fahrzeuganwendungen werden systematisch von der Bauteilebene (hier IGBT-Halbleiter) über die Elektronikkomponente (hier Umrichter) und die Systemebene (hier Traktionssystem) bis in das gesamte Fahrzeug untersucht und beeinflusst. Für die Messung, Bewertung und Optimierung der Störungen der Leitungselektronik in Fahrzeugen existieren bisher keine genormten Verfahren im KFZ-Bereich.

Im beschriebenen Projekt wurden folgende Aufgaben bearbeitet:

• Entwicklung und Applikation der EMV-Messverfahren für HV-Halbleiter und -Komponenten
• Untersuchung von Design-Parametern innerhalb der Halbleitermodule in Bezug auf die Verringerung der Störaussendung

Es wurde an der WHZ ein EMV-Prüfstand entwickelt, der sowohl den dreiphasigen Umrichterbetrieb als den Betrieb einzelner IGBTs der Module an verschiedenen Lasten ermöglicht. Anhand der möglichen Emissionsmessungen können Einflüsse auf die Störaussendung der Leistungshalbleiter bei verschiedenen Betriebszuständen aufgezeigt werden. Weiterhin wurden die Einflüsse der Ansteuerung und der Lasten untersucht.

Die Kenntnis der Einflüsse des Aufbaus ist für die EMV-Messung der IGBT-Module notwendig, da diese für den Betrieb immer eine entsprechend ausgelegte Ansteuerung, Hochvoltversorgung und Last benötigen. Dadurch entsteht ein räumlich ausgedehnter Aufbau, der selbst Störungen erzeugen und schwer nachvollziehbare Verkopplungen aufweisen kann. Vorteilhaft erweist sich die Messung der Störpegel im Zeitbereich, da hierdurch die erforderliche Messzeit erheblich verkürzt werden kann. Damit verringern sich die thermischen Anforderungen an den Messaufbau erheblich. Auf Basis der so gewonnenen Erkenntnisse wurde ein verbesserter Aufbau realisiert, der eine gezielte Messung der Störanteile der Module möglich macht (Abb. 3). Dadurch können verschiedene Module unter gleichen Randbedingungen analysiert werden. Die Ergebnisse der einzelnen Module werden somit vergleichbar. Durch die standardisierten Messbedingungen können die Messergebnisse bei ausreichender Datenbasis Rückschlüsse auf die zu erwartenden Störpegel für die Anwendung im Fahrzeug liefern.

Im Rahmen des Projektes wurden spezielle EMV-optimierte Module gefertigt, die im Vergleich zu Standard-Modulen gemessen wurden. Der Vergleich erlaubt Rückschlüsse auf mögliche Optimierungsparameter im Aufbau der Hochvolthalbleitermodule. Beispielhaft ist der Einfluss Design-Parametern beim Aufbau der Module bei einer Störaussendungsmessung.