Nehmen Sie an unseren 15000 IMP Followern teil

www.auto-innovationen.com
ONSEMI News

Fortschrittliche Leistungshalbleiter ermöglichen DC-Schnellladen der Stufe 3, um die Reichweitenangst bei Elektrofahrzeugen zu überwinden

Autor: Steven Shackell, Industrial Business Development, ON Semiconductor.

Fortschrittliche Leistungshalbleiter ermöglichen DC-Schnellladen der Stufe 3, um die Reichweitenangst bei Elektrofahrzeugen zu überwinden

Abstract

Die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen (EV) wird immer noch durch die Reichweitenangst und die Abneigung gegen lange Wartezeiten beim Aufladen unterwegs behindert. Schnelles DC-Laden verspricht jedoch, die Wartezeit auf Minuten zu verkürzen, da immer mehr dieser Ladestationen im ganzen Land installiert werden. Diese Hochleistungsladegeräte mit einer Leistung von bis zu 350 kW müssen elektrisch so effizient wie möglich sein, um auf der Basis neuester Leistungswandler-Architekturen und Halbleiterschalter kostengünstig zu sein. Dieser Beitrag befasst sich mit dem typischen Entwicklungsansatz, einigen Optionen und Kompromissen für die Leistungshalbleiter und mit den Vorteilen, die neueste Halbleiter mit großer Bandlücke (WBG) bieten.

Artikel

Elektrofahrzeuge sind mit einem Umsatzwachstum von rund 60% auf dem Weg zu einer breiteren Akzeptanz[1]. Dieselbe Analyse führt jedoch auch eine Marktdurchdringung von nur 2,2% bis Ende 2018 auf, sodass EVs noch einen langen Weg gehen müssen, bevor sie dominieren. Das Engagement der Hersteller ist vorhanden: Bis 2023 sollen mehr als 400 EV-Modelle zur Verfügung stehen.

Mehrere Faktoren beeinflussen die Entscheidung, sich weiter für kraftstoffbetriebene Fahrzeuge (mit Verbrennungsmotor) zu entscheiden. Neben den Anschaffungskosten für EVs steht die Reichweitenangst an erster Stelle. Für kurze Wege und Fahrten vor Ort stellt dies kein Problem dar, sofern man über Nacht an der heimischen Ladestation aufladen kann. Es gibt aber echte Bedenken, dass eine Reichweite von weniger als 400 km, wie sie normalerweise erreicht wird, für längere Fahrten einfach nicht ausreicht – insbesondere in Gebieten, in denen nur wenige öffentliche Ladestationen vorhanden sind. Dauert das Aufladen dann noch mehrere Stunden, stellt sich die Rentabilität von EVs als schwer verkäuflich heraus. Selbst das Aufladen eines vollständig entladenen 100kWh-Akkus wie in einem Tesla kann zuhause am 240VAC-Netz bis zu 14 Stunden dauern, sodass kaum genug Zeit vor dem nächsten Tag bleibt. Immer häufiger finden sich jedoch nun DC-Schnellladegeräte/-stationen, die die Ladezeit auf Minuten statt Stunden verringern.

Ladegeräte sind in Stufen unterteilt

Es gibt verschiedene Lademöglichkeiten für zu Hause, im Büro und am Straßenrand, wobei die Terminologie umstritten ist. Allgemein anerkannt ist jedoch, dass „Stufe 1“ eine reguläre 230/240VAC-Steckdose (USA: 120 VAC) mit der langsamsten Laderate darstellt. Bei „Stufe 2“ werden 240 VAC oder manchmal 400 VAC (3 Phasen) über eine installierte Ladestation mit integrierter Steuerung und Schutz verwendet. Dies kann immer noch zuhause erfolgen und sorgt für eine schnellere Laderate. Beide Stufen 1 und 2 verwenden das fahrzeuginterne Ladegerät (OBC; On-Board Charger), um Gleichstrom für die Batterie zu erzeugen. Unter „Stufe 3“ versteht man Gleichstrom-/DC-Ladung direkt zur Batterie über einen statischen AC/DC-Wandler – meist an einer Ladestation, die eine 3-phasige AC-Versorgung erfordert. Damit verkürzt sich die Ladezeit bei der maximal verfügbaren Leistung von 350 kW auf Minuten – ähnlich der Zeit, die zum Betanken eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor benötigt wird. Bild 1 fasst die Leistungsfähigkeit der drei EV-Ladestufen (in den USA) zusammen.


Fortschrittliche Leistungshalbleiter ermöglichen DC-Schnellladen der Stufe 3, um die Reichweitenangst bei Elektrofahrzeugen zu überwinden
Ladestufen und Leistungsabgabe (USA)

Schnellladetechnik

Ladestationen der Stufe 3 mit einer Leistung von bis zu 350 kW sind bezüglich ihres Aufbaus am anspruchsvollsten. Niedrige Kosten haben immer Priorität, aber auch die Wandlungseffizienz ist entscheidend. Jedes verschwendete Watt bedeutet eine höhere Stromrechnung, weniger verfügbare Energie für die Batterie und eine längere Ladezeit. Überschüssige Wärmeverluste verringern auch den Umweltnutzen des Elektrofahrzeugs. Ein hoher Wirkungsgrad reduziert auch die Anforderungen an die Kühlung, was wiederum Kosten und Größe einspart. Ein DC-Schnellladegerät ist in Bild 2 dargestellt, wobei die wichtigsten Komponenten hervorgehoben sind.


Fortschrittliche Leistungshalbleiter ermöglichen DC-Schnellladen der Stufe 3, um die Reichweitenangst bei Elektrofahrzeugen zu überwinden
Aufbau eines DC-Schnellladegeräts

Bei sehr hohen Leistungen findet die 3-phasige AC-Gleichrichtung und Leistungsfaktorkorrektur (PFC) über einen Vienna-Gleichrichter statt. Dieser kann zwei verschiedene Formen annehmen (Bild 3). Topologie 1 hat weniger Bauelemente und den höchsten Wirkungsgrad, aber die Dioden müssen relativ teure 1200V-Versionen sein, und für die sechs Schalter ist eine komplexe Steuerung erforderlich. Topologie 2 verwendet nur drei Schalter mit einer weniger komplexen Steuerung, und die Dioden können 600V-Versionen sein – allerdings ist der Wirkungsgrad hier geringer, da mehr Dioden in den Leitungspfaden vorhanden sind. In jeder Topologie können High-Voltage-Si- oder SiC-MOSFETs verwendet werden. Für geringste Kosten eignen sich auch IGBTs, sofern die Frequenz niedrig gehalten wird. Es stehen Bauelemente von ON Semiconductor[2] zur Verfügung: So bietet die Serie „Field Stop 4“ Nennspannungen von 650 oder 950 V und Versionen für niedrige, mittlere und hohe Geschwindigkeit mit unterschiedlichen Sättigungsspannungen und EOFF-Werten, die ein Hinweis auf dynamische Verluste sind. Bei höheren Nennspannungen, die für eine 3-phasige Halbbrückengleichrichter-/PFC-Stufe auf IGBT-Basis erforderlich sind, bieten die 1200V-Versionen der Serie „Ultra Field Stop“ ebenfalls Varianten für niedrige und hohe Geschwindigkeiten mit besten UCESAT- und EOFF-Werten.


Fortschrittliche Leistungshalbleiter ermöglichen DC-Schnellladen der Stufe 3, um die Reichweitenangst bei Elektrofahrzeugen zu überwinden
Verschiedene Topologien des Vienna-Gleichrichters

Der Vienna-Gleichrichter erzeugt einen geregelten High-Voltage-Bus für die Haupt-DC/DC-Wandlerstufe, die eine von mehreren Topologien sein kann. Gängige Implementierungen sind die in Bild 4 beschriebene Vollbrücken-Interleaved-LLC- und 3-stufige LLC-Schaltung. Die Interleaved-Version kann 650V-SuperJunction-MOSFETs verwenden, da jeder Baustein nur die Hälfte der Versorgungsspannung auferlegt bekommt. Die Bausteine finden sich in der SuperFET-III-Reihe von ON Semiconductor, die in drei Versionen erhältlich ist: „Easy Drive“ mit integriertem Gate-Widerstand für niedrige EMI und Spannungsspitzen; „Fast“ für höchste Effizienz bei hart schaltenden Anwendungen und „FRFET“ für höchste Leistungsfähigkeit bei Resonanzwandlern wie dem LLC mit bester Body-Diode.


Fortschrittliche Leistungshalbleiter ermöglichen DC-Schnellladen der Stufe 3, um die Reichweitenangst bei Elektrofahrzeugen zu überwinden
Alternative Wandlertopologien

Für einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Leistungsdichte können 900V/1200V-SiC-MOSFETs verwendet werden, wobei sich die höheren Bauteilkosten durch kleinere Magnetik bei höherer Schaltfrequenz ausgleichen lässt. Die hohe Nennspannung ermöglicht den Einsatz einer einzigen H-Brücke ohne Interleaving mit weniger Schaltern, was wiederum Kosten spart. Für sehr kostengünstige Anwendungen lassen sich 650- oder 1200V-IGBTs aus der Field-Stop-Reihe von ON Semiconductor einsetzen – jedoch nur bei niedrigerer Schaltfrequenz mit folglich größerer und teurerer Magnetik. Ausgangsdioden können die 1200V-Si-Varianten „Stealth“ oder „Hyperfast“ oder für noch geringere Verluste 1200V-SiC-Dioden sein.

Die 3-stufige LLC-Topologie verwendet weniger Dioden und Schalter mit den dazugehörigen isolierten Gate-Treibern – und obwohl drei Transformatoren erforderlich sind, ist die Ausgangswelligkeit viel geringer. Auch hier können Si-SuperJunction- oder SiC-MOSFETS oder IGBTs verwendet werden, je nach Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit und Kosten.

SiC-Bauelemente mit großer Bandlücke bieten erheblich mehr Leistungsfähigkeit

Die Möglichkeit, SiC-Schalter und -Dioden mit großer Bandlücke (WBG) zu verwenden, bietet mehrere Vorteile: schnelles Schalten bei hohen Spannungen mit geringen Verlusten reduziert die Systemkosten, -größe und das -gewicht und spart gleichzeitig Energie. Experimente, bei denen Si-Leistungshalbleiter in einem Vienna-Gleichrichter und Vollbrücken-LLC-Wandler mit einem SiC-basierten 3-Phasen-Halbbrückengleichrichter/PFC und Vollbrücken-LLC-Wandler verglichen wurden, ergaben für die SiC-Version einen um 25% besseren Leistungsdurchsatz mit 22% Gewichts- und 62% Volumenreduzierung – und das mit 20% weniger Bauelementen und einem zuverlässigeren Produkt.

Auch die Gehäusetechnik macht Fortschritte

Um das Beste aus Leistungshalbleitern herauszuholen, kommt es häufig auch auf das Gehäuse an – vor allem bei höheren Schaltfrequenzen, wenn parasitäre Effekte wie Leitungsinduktivitäten die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen können. Neuerungen von ON Semiconductor wie PQFN-, LFPAK- und die TO-Leadless-Gehäuse gehen dieses Problem an und bieten eine verbesserte Thermal Performance. Um die Montagezeit und die Anzahl der Bauelemente während der Fertigung erheblich zu verringern, können PIMs (Power Integrated Modules) in Betracht gezogen werden, die mehrere Bauelemente in einem Gehäuse integrieren, darunter eine Mischung aus IGBTs, Si- und SiC-MOSFETs sowie Si- und SiC-Dioden sowie andere Bauelemente wie Messwiderstände. Die Leistungsfähigkeit vormontierter PIMs ist garantiert, was das Entwicklungsrisiko erübrigt, den Teilebestand verringert und eine schnellere Markteinführung ermöglicht.

Fazit

Neueste Leistungshalbleiter in hocheffizienten Leistungswandlern ermöglichen schnelle DC-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, um das Problem der Reichweitenangst zu beseitigen. ON Semiconductor integriert vertikal alle Prozesse bei der Fertigung von IGBTs, Si- und SiC-MOSFETs/Dioden, um komplette Leistungselektroniklösungen anzubieten. Hinzu kommt ein umfassendes Angebot an unterstützenden Bauelementen wie Analog- und Digital-Controller, isolierte Gate-Treiber, verlustarme Strommessverstärker und Optokoppler.

www.onsemi.com
 

  Fordern Sie weitere Informationen an…

LinkedIn
Pinterest

Passwort vergessen?

Nehmen Sie an unseren 15000 IMP Followern teil

International