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Topologien für Leistungsmodule

Robuste und effiziente On-Board Charger

18. Mai 2021, 10:11 Uhr   |  Von Thomas Lohrmann, Manager FAE Automotive Europe und Stefan Volkmann, Senior Field Application Engineer, beide Vishay

Robuste und effiziente On-Board Charger
© Vishay

EMIPAK-2B-Leistungsmodul für den Einsatz im On-Board Charger

650-V-Silizium-MOSFETs oder 1200-V-SiC-MOSFETs – was ins nächste Leistungsmodul für On-Board-Ladegeräte soll, hängt von den Anforderungen ab. Verschiedene Topologien stehen da zur Auswahl.

Im Automotive-Bereiche nimmt der Trend zur Elektrifizierung immer mehr Fahrt auf. Treiber sind nicht nur die Grenzwerte für Abgaswerte, sondern auch Förderprogramme. Ein Kernelement dieser Fahrzeuge ist das Ladesystem der Batterien, auch On-Board Charger (OBC) genannt. Mit diesen Systemen lässt sich die Batterie an einem üblichen Haushaltsanschluss oder an einer marktüblichen Wall-Box laden.

Je nach Fahrzeugklasse sind Ladesysteme mit Übertragungsleistungen von bis zu 22 kW verbaut. Notwendig ist diese hohe Ladeleistung, um eine annehmbare Ladedauer zu realisieren. Aufgrund des Einsatzes der Ladegeräte im Fahrzeug werden sehr hohe Qualitätsanforderungen an die Lieferanten und elektronischen Bauteile gestellt. Vishay kann hier auf ein großes Maß an Erfahrung in diesem Bereich zurückgreifen und ein breites Portfolio passender Bauteile anbieten.

On-Board-Ladegeräte bis zu 22 kW (400 V AC-Eingang, 500 V DC-Ausgang) setzen aufgrund der hohen Leistungsdichte auf Halbleiterprodukte in Leistungsmodulen. Durch den Einsatz von speziell auf das Ladegerät abgestimmten Modulen ist eine hohe Effizienz der Systeme und gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte – also geringer Bauraum und hohe Leistung – erreichbar. Vishays EMIPAK-2B-Gehäuse erweist sich als eine sehr robuste und effiziente Komponente in diesem Bereich; es hat sich bereits in verschiedensten Anwendungen und Konfigurationen etabliert.

Weil der interne Aufbau der Leistungsmodule speziell den Anwendungen und Anforderungen der Automobilindustrie angepasst ist, lässt sich der Einsatz von Leistungsmodulen für jede Generation von Ladesystemen anpassen; zugleich kommen jeweils Halbleiter neuester Generation zum Einsatz. Die Verwendung von Press-Fit-Anschlüssen für die elektrischen Kontakte ermöglicht eine sehr einfache und schnelle Montage der Module.

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Schaltplan eines T-Typ-Vienna-Gleichrichters

Durch die direkte Anbindung an die Flüssigkeitskühlung im Fahrzeug wird eine sehr hohe Leistungsdichte erzielt und das thermische Management der Module optimiert.
In den heutigen Elektrofahrzeugen ist ein Hochleistungs-Bordladegerät notwendig, um das Akkupaket mit großer Kapazität in einem kurzen Zeitraum zu laden. 22-kW-Bordladegeräte arbeiten mit einer 3-phasigen Eingangsspannung im Bereich von 340 bis 480 V AC und liefern einen Ausgangsspannungsbereich von 250 bis 500 V mit einem maximalen Strom von circa 50 A. Dabei verwendete die Eingangsstufe einen Vienna-T-Gleichrichter vom (Bild 2), der die Anforderungen in Bezug auf Oberschwingungen und Blindleistung erfüllt, aber dennoch den Betrieb des Ladegeräts über einen großen Eingangsspannungsbereich ermöglicht. Für die Regelung der Ausgangsspannung sorgt ein isolierter Resonanzwandler mit asynchroner Gleichrichtung.

Die hier beispielhaft gezeigte Topologie arbeitet mit einem virtuellen Nullpotenzial, das die Aufteilung der Gleichspannung in zwei symmetrische Stufen ermöglicht. Mit diesem Ansatz lassen sich 650-V-Silizium-MOSFETs für die Haupt-DC/DC-Stufe verwenden anstatt der kostenintensiven 1200-V-SiC-Bauelemente, die bei anderen Topologien erforderlich sind.
Durch den Einsatz des T-Typ-Vienna-Gleichrichters wird auch die erforderliche Leistungsfaktorkorrektur (PFC) implementiert.

Allerdings ist mit der hier genutzten Boost-Topologie der hohe Einschaltstrom, der beim Start des Ladegeräts fließt, nicht begrenzbar. Für die Stabilisierung des Zwischenkreises des Geräts ist eine vergleichbar große Kondensatorbatterie notwendig, um sowohl die Schaltvorgänge der PFC-Stufe als auch des DC-DC-Wandlers zu stützen. Je nach Anforderungen kommen hier meistens spannungsfeste Aluminium-Elektrolyt- oder Folienkondensatoren zum Einsatz. Es ist notwendig, den Einschaltstrom durch eine aktive Schutzbeschaltung zu begrenzen, um eine Überlastung der Halbleiter und auch der Kondensatoren zu verhindern.

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Schaltplan isolierter Resonanzwandler mit asynchronem Gleichrichter

Eine parallele Verschaltung von Thyristoren und PTC-Thermistoren dient in diesem Fall als erforderliche Schutzbeschaltung. Durch ihr spezielles Verhalten (stark steigender Widerstand bei hoher Temperatur) begrenzen Thermistoren den Eingangsstrom; das gewährleistet ein sicheres Einschalten des Ladesystems. Bei stabiler Zwischenkreisspannung auf gewünschtem Pegel werden die beiden Thyristoren gezündet, um die benötigte Ladeleistung an den PTC-Strombegrenzern vorbeizuführen.

Für die aktive Gleichrichtung des Drehstromes sorgt die spezielle Vienna-Topologie aus Dioden und MOSFETs. Diese Schaltung korrigiert den Leistungsfaktor und verhindert Verluste durch Blindleistungen der kapazitiven Last. Außerdem lässt sich durch den geregelten Gleichrichter das ins Netz strahlende Rauschen reduzieren, was die Auslegung der Eingangsfilter vereinfacht.

Im Zentrum des Ladesystems steht der isolierte DC/DC-Wandler, mit dem die Ladespannung der Hochspannungsbatterie eingestellt wird. In unserem Beispiel können durch den Vienna-Gleichrichter zwei Resonanzwandler genutzt werden, jeweils im positiven und negativen Zwischenkreis und dem virtuellen Nullpotenzial. Diese werden ausgangsseitig parallel verschaltet, um die Ladeleistung der Batterie zu erreichen. Die Ansteuerung der beiden Resonanztransformatoren erfolgt durch eine MOSFET-H-Brücke mit einer Schaltfrequenz im Bereich von 150 bis 250 kHz.
Herausfordernd bei dieser Topologie ist die optimierte Beschaltung der beiden Resonanzwandler für alle Betriebspunkte, um Störungen der Ein- und Ausgangsspannungen zu minimieren. Neben den Transformatoren ist der Resonanzkondensator eines der Kernbauteile dieses Schaltungsteils. Er muss zusätzlich zur hohen Spannungs- und Stromfestigkeit auch sehr gute Parameter für die Flankensteilheit dI/dt aufweisen. Ausgangsseitig wird die Wechselspannung des Transformators durch eine Diodenbrücke gleichgerichtet und durch Kondensatoren stabilisiert. Mit der Gleichspannung am Ausgang wird dann über das Bordnetz und das Batteriemanagementsystem die Fahrzeugbatterie für die nächste Reise mit dem Fahrzeug geladen.

Die Halbleiter der erläuterten Schaltung lassen sich sehr effizient und platzsparend in Leistungsmodulen von Vishay integrieren. Dabei legt der innere Aufbau der Module großen Wert darauf, jegliche Störgrößen wie Kapazitäten oder Induktivitäten zu minimieren. Durch die Integration passiver Bauteile in die Leistungsmodule wird eine weitere Optimierung des Designs ermöglicht. Mithilfe von Leistungsmodulen lässt sich die Effizienz und Leistungsdichte der Ladesysteme weiter steigern und die Ladezeit der Elektroautos reduzieren. 

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