Die Hitze des Halbleiters im Visier

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Tags: Effizienz, Elektromobilität, NullEmissionen

Ohne Leistungselektronik funktioniert kein E-Antrieb. ZF hat ein Verfahren entwickelt, wie sich diese Bauteile noch verbessern lassen. Ansatz: Temperatur messen ohne Thermometer.

Andreas Neemann, 28. November 2018

Andreas Neemann hat seinen ersten ZF-Magazintext im Jahr 2001 zum 6HP-Automatgetriebe geschrieben. Seither begleitet der Automotive-Autor mit Faible für komplexe Themen den Konzern in vielen Publikationen für interne wie externe Leser.

Alle Ingenieure hassen es, wenn sie im Dunkeln tappen. Insbesondere dann, wenn sie Bauteile konstruieren, die lange und sicher halten müssen. Sind die tatsächlichen Grenzen der Belastung nicht genau bekannt, planen Konstrukteure üblicherweise hohe Sicherheitsreserven ein. Entsprechend groß ist die Gefahr der Überdimensionierung. Als würde ein Architekt, der die Wucht eines Hagelkorns nicht genau berechnen kann, eine Betonkuppel als Hausdach einplanen. Die hält dann zwar nicht nur Hagel stand, sondern auch leichtem Artilleriebeschuss, wäre aber viel zu teuer und zu schwer.

Kernfrage: Wie schnell verschleißen Halbleiter-Module?

Den Entwicklern von Leistungselektroniken für elektrische Antriebe fehlte bis vor kurzem tatsächlich eine wichtige Information: Wie groß sind die Temperaturschwankungen, denen die verbauten Silizium-Chips im realen Fahrbetrieb ausgesetzt sind? Schließlich sind solche Halbleiter-Module nicht nur teuer, sondern auch empfindlich. Ständiges Erhitzen und Abkühlen macht das Material mürbe. Brechen die Halbleiter, quittiert die gesamte Leistungselektronik ihren Dienst. Das ist fatal, denn ohne diese Steuerboxen geht in E-Mobilen oder Hybrid-Fahrzeugen gar nichts mehr. Leistungselektroniken regeln den Stromfluss aus der Batterie. Auch wandeln sie deren Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung um, die die E-Maschine antreibt.

Teure Sicherheit durch eine überdimensionierte Leistungselektronik

Um den Ausfall der Leistungselektronik zu vermeiden, gingen Ingenieure bislang eben auf Nummer sicher. Sie setzten mehr Halbleiter-Bausteine ein als unbedingt notwendig. Je größer die Halbleiterfläche, desto besser der Temperaturausgleich. Doch diese Lösung entspricht in etwa dem Bild von der Betonkuppel als Hausdach. „Eine überdimensionierte Leistungselektronik ist nicht optimal im Hinblick auf Bauraum und Kosten“, sagt Marco Denk, Leiter der Vorentwicklung Leistungselektronik in der ZF-Division E-Mobility. Weil Ingenieure aber gern das Optimum erreichen wollen, stellte sich Denk die Frage, wie sich die Temperaturschwankungen und deren Auswirkungen auf das Lebensalter von Halbleitern exakter ermitteln lassen. Ist das bekannt, lassen sich von den teuren Modulen nur so viele einsetzen, wie für den Lebenszyklus eines Fahrzeugs tatsächlich notwendig sind – inklusive Sicherheitsreserven.

In Fahrzeugen mit E-Antrieb sowie in Hybridfahrzeugen ist die Leistungselektronik verantwortlich für den Wirkungsgrad und bestimmt damit Reichweite sowie Effizienz des elektrischen Antriebs. Das Schaubild zeigt die Konfiguration eines Fahrzeugs mit frontquer eingebautem Verbrennungsmotor und E-Antrieb der Hinterachse.

Temperaturen im Halbleiter auf einfache Weise messen

Sein Dissertationsthema an der Universität Bayreuth war ein Verfahren, mit dem sich die Temperatur von Halbleitern in der Leistungselektronik ermitteln und aufzeichnen lässt. „Das klingt einfacher als es ist. Die Vorgabe war, keine zusätzlichen Mess- oder Übertragungsgeräte einzusetzen – denn die hätten Kosten verursacht und Bauraum beansprucht“, erinnert sich der Ingenieur. Zusätzlich zur Temperaturmessung ohne Thermometer gesellte sich noch die Aufgabe der Datenaufzeichnung ohne zusätzlichen Speicher- oder Funk-Chip. Denk entdeckte in der vorhandenen Elektronik einen Gate-Widerstand, dessen Signalfluss er leicht umfunktionieren konnte. Weil dieser Widerstand in der Nähe einer thermisch stark beanspruchten Sperrschicht lag, ließ sich aus Spannungsunterschieden die Temperatur ermitteln. Denk musste schließlich „nur“ noch dafür sorgen, die Daten so zu komprimieren und aufzuzeichnen, dass sie sich nach der Fahrt auslesen lassen.

Optimale Bauteile durch patentierte Temperaturmessung

Auch das gelang ihm: Die Temperaturwerte mehrerer Fahrten passten auf ein ohnehin in der Elektronik verbautes 8-Kilobyte-Speicherbauteil. Denks Verfahren ist so einfach und doch so brillant, dass er damit bereits renommierte Preise gewonnen hat, darunter den CTI Young Drive Experts Award. Mit seinem Ansatz hat Denk aber auch Grundlagen geschaffen, wie sie Automobil-Ingenieure lieben: Nun schwimmen sie förmlich in Daten, aus denen sich die tatsächlichen Temperaturschwankungen in den „Herzen“ von Elektrofahrzeugen ermitteln lassen – und zwar über verschiedenste Pkw-Modelle und Belastungsprofile hinweg. Das inzwischen von ZF patentierte Verfahren und die daraus gewonnenen Daten setzt das Unternehmen dazu ein, Leistungselektroniken genau passend auszulegen: schlank, zuverlässig sowie kosten- und bauraumoptimal.

Hohe Temperaturschwankungen verringern die Lebenszeit von Halbleiter-Modulen. Diese sind extrem wichtige Bauteile in der Leistungselektronik von E-Antrieben und Hybridfahrzeugen.