Würth-Elektronik-Ingenieure im Interview: Neuer Transformator bietet "sicherlich auch Vorzüge in Formel E"

Würth Elektronik - seit Saison 1 Partner des deutschen Formel-E-Teams Audi Sport ABT Schaeffler - hat eine neue Technologie entwickelt, die sich mit Blick auf die Effizienz auch auf der Rennstrecke auszahlen könnte. Im Technik-Interview sprechen Eleazar Falco (Applications Engineer, Product Management) und Emil Nierges (Product Manager Power Isolated, Product Marketing and Development) von Würth Elektronik über die Vorzüge der innovativen Lösung.

MOSFET Transistoren auf Siliziumkarbid-Basis (SiC) bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Lösungen. Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit, deutlich höhere Schaltfrequenzen zu fahren, bei geringerer Wärmeentwicklung und reduziertem Gewicht beziehungsweise Bauraum. Dadurch wird die Effizienz der jeweiligen Anwendung um bis zu zehn bis 15 Prozent erhöht.

Transformatoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Stromversorgung der MOSFETs. Passend zu den Anforderungen der SiC-Technologie hat Würth Elektronik einen neuen SiC-Gate-Drive-Transformer entwickelt, der für den Einsatz in E-Rennboliden sehr interessant sein könnte. Um die Möglichkeiten aufzuzeigen, die sich mit dem neuen Transformer ergeben, bietet Würth Elektronik ein Referenzdesign für eine komplette Stromversorgungslösung für SiC-Gate-Treiber.

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Herr Falco, das klingt nach einem interessanten Ansatz. Wie kam es zu dieser Idee?

Eleazar Falco: Wir wollten eine optimierte isolierte Stromversorgungslösung bereitstellen, die die optimalen Gate-Treiberspannungen für Siliziumkarbid-SiC-MOSFETs und IGBTs liefert, die unter anderem im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen eingesetzt werden. Unser Ziel war es, eine Lösung zu erreichen, die kleiner, leichter, effizienter und mit besserer Gesamtleistung als gleichwertige Leistungsmodule auf dem Markt ist.

Wie wurde die Komponente entwickelt?

Eleazar Falco: Wir untersuchten und fanden eine optimale IC-Controller- und DC-DC-Wandlertopologie, um dies zu erreichen. Dann entwarfen wir die Schaltung und nahmen die Feinabstimmung der Betriebsbedingungen vor, indem wir den Transformator optimierten und anpassten, der die wichtigste passive Komponente in der Schaltung ist.

Was kam dabei heraus?

Eleazar Falco: Als Ergebnis konnten wir eine Lösung erzielen, die nur 378 mm² Fläche einnimmt (14 mm x 27 mm), was enorm kleiner ist als bei vergleichbaren Modulen zurzeit auf dem Markt. Das sehr niedrige Gesamtgewicht von nur 3,9 g und der hohe Spitzenwirkungsgrad von fast 86 Prozent sind auch wichtige Vorteile. Zudem ermöglicht eine Ausgangsleistung bis 6 W eine höhere Schaltfrequenz der SiC-MOSFETs, was am Ende zu einer Reduzierung der Gesamtgröße des Elektroantriebes führen kann. Das Referenz-Design zeigt die hervorragenden Möglichkeiten des neuen Transformers mit Blick auf Gewicht, Effizienz und Bauraum auf und bietet den Entwicklern die Möglichkeit, mit einfachen Mitteln diese Technologie für sich zu adaptieren.

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Was sind denn die besonderen Eigenschaften im Vergleich zu einer Standardkomponente, und warum ist diese Entwicklung so einzigartig, Herr Nierges?

Emil Nierges: Der Übertrager ist extrem kompakt und kann gleichzeitig eine Ausgangsleistung von über 6 W bewältigen, was für ein so winziges EP-7-Gehäuse eine ziemliche Herausforderung darstellt. Aber der vielleicht wichtigste Vorteil gegenüber Standard-Transformatoren ist die viel geringere Zwischenwicklungskapazität, die etwa 50 Prozent niedriger ist als bei vergleichbaren Transformatoren auf dem Markt. Dieser Parameter ist bei der Verwendung von SiC-MOSFETs oder IGBTs wie in elektrischen Fahrzeugantrieben von entscheidender Bedeutung.

Warum?

Emil Nierges: Weil er es diesen Bauelementen ermöglicht, viel schneller und mit höheren Frequenzen zu schalten. Gleichzeitig verhindert er, dass das erhöhte erzeugte Rauschen das Niederspannungs-Steuersystem beeinträchtigt. Diese schnellere Schaltfähigkeit trägt wiederum dazu bei, den Wirkungsgrad des Antriebsstrangs zu erhöhen und gleichzeitig seine Größe zu reduzieren, was beides für einen Elektromotor entscheidend ist und sicherlich auch Vorzüge in der Formel E bietet. Durch das optimierte Leistungsgewicht und die deutlich höhere Schaltfrequenz werden große Effizienzpotenziale gehoben!

Welche Bedeutung kommt dem Transformer in einem Elektro-Rennfahrzeug zu?

Emil Nierges: Ohne den Gate-Drive-Transformator würde das Elektrofahrzeug nicht rollen können. Er ist ein kritischer Teil des elektrischen Antriebssystems, das dafür verantwortlich ist, das Elektrofahrzeug in Bewegung zu setzen.

Wann haben Sie entschieden, den Transformator zu einem Würth Elektronik-Standardbauteil zu machen?

Emil Nierges: Die Idee war von Anfang an, ihn zu einem Würth Elektronik-Standardbauteil zu machen. Es gibt zahlreiche Anwendungen, in denen diese Transformatoren eingesetzt werden können. Dazu zählen zum Beispiel Ladestationen beziehungsweise Wallboxen für die E-Mobilität, Wechselrichter, die bei der Umwandlung erneuerbarer Energien wie Solar- oder Windenergie eingesetzt werden, sowie Industriemotoren, die Fabriken und Produktionslinien am Laufen halten. Und noch viele mehr.

Verbessern Sie das Bauteil hinsichtlich der Effizienz noch weiter?

Eleazar Falco: Dieser Übertrager wurde für diese Anwendung optimiert. Aber wir arbeiten derzeit an neuen Versionen, die für verschiedene SiC-MOSFET- und IGBT-Bausteine optimiert sind, insbesondere mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen. Dadurch können wir unseren Kunden eine größere Auswahl an Transformatoren anbieten.

Was ist Ihr nächstes großes Projekt?

Eleazar Falco: Wir arbeiten bereits an der Erweiterung der aktuellen Transformatorenserie für Gate-Drive-Anwendungen. Alle neu hinzugefügten Transformatoren werden Teil von Referenzdesigns mit verschiedenen IC-Herstellern sein. Wir werden uns mit verschiedenen DC-DC-Topologien für Hilfsspannungsversorgungen und den dazugehörigen optimierten Transformatoren befassen, um spezielle Anwendungen anzusteuern, die extrem niedrige Wickelkapazitäten oder viel höhere Isolationswerte erfordern.