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Simulation eines Onboard-Chargers

Streuparameter analysieren

25. März 2020, 17:00 Uhr   |  Francesco Palomba, Francesco Gennaro, Mario Pavone, Natale Aiello, Giuseppe Aiello und Prof. Dr. Mario Cacciato

Streuparameter analysieren
© Menno de Jong / Pixabay

In Elektroautos kommen zunehmend Onboard-Charger zum Einsatz, um am normalen Stromnetz schnell laden zu können. Doch die hohen Ströme verbunden mit schnellem Schalten bringen Herausforderungen mit sich. Wie wirken sich die Streuparameter der Leiterplatte auf die Performance eines Ladesystems aus?

Reichweite, Ladezeiten und Lebensdauer – dies sind und bleiben kritische Parameter im heraufziehenden Zeitalter der elektrisch betriebenen und vollvernetzten Automobile. Hierzu werden sogenannte Onboard-Charger, also integrierte Ladesysteme für schnelle Ladezyklen am herkömmlichen ein- oder dreiphasigen Stromnetz benötigt. In diesem Zusammenhang wurde untersucht, wie die parasitären elektrischen Parameter der Leiterplatte die Leistung eines dreistufigen Gleichrichters beeinflussen.

Der Gleichrichter basiert auf Siliziumkarbid-Transistoren (SiC) und ist in einer T-Topologie implementiert. Durch die kurzen Schaltzeiten der SiC-Bausteine lässt sich die Schaltfrequenz im Vergleich zu Silizium-Bausteinen erhöhen und die Effizienz gleichzeitig hoch halten. Allerdings führt dies zu steileren di/dt-Schaltflanken (als Faustregel nehmen wir mehr als 1 A/ns als kritisch an). Deswegen dürfen die Leiterplatten als parasitäre Induktivitäten (und Kapazitäten etc.) nicht mehr vernachlässigt werden, sondern sie spielen eine signifikante Rolle bei der Leistungsfähigkeit eines Designs bis hin zum Ausfall, falls diese Effekte nicht von Anfang an im Designprozess berücksichtigt werden.

EDA-Werkzeuge (Electronic Design Automation) eignen sich, um ein Modell der Leiterplatte zu extrahieren und dieses mit den aktiven und passiven Komponenten zusammen zu simulieren. Im Folgenden werden wir verschiedene Simulationsergebnisse miteinander vergleichen – einmal mit Berücksichtigung der Leiterplatte, einmal ohne Berücksichtigung sowie zwei verschiedene Layouts.

Aufbau des Gleichrichters

Bild 1 (links) zeigt die Struktur beziehungsweise Schaltung des dreiphasigen, dreistufigen Gleichrichters. Diese Topologie belastet die Leistungshalbleiter bei niedrigerer Spannungsschwankung weniger stark. Die vier Schaltzustände im Betrieb zeigt exemplarisch an der Phase A das Bild 1 (rechts), und zwar in Abhängigkeit der Polarität der ausgewählten Phasenströme iLN (mit N = A, B, C) und dem Schaltzustand der bidirektionalen Schalter TN.

Keysight Technologies, inverter
© Keysight Technologies

Bild 1: Schaltungstopologie des dreiphasigen Drei-Level-Gleichrichters (oben)

Keysight Technologies, inverter
© Keysight Technologies

und Betriebsbeispiel für eine der generischen Phasen N (unten).

Für diese Untersuchung kamen aufgrund ihrer im Vergleich zu Siliziumtransistoren höheren Sperrspannung, der höheren Schaltfrequenzen und höheren Betriebstemperaturen Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC) zum Einsatz. Damit sind Schaltfrequenzen von 70 kHz bis 200 kHz möglich, sodass Größe und Kosten der passiven Bauteile sinken. Gleichzeitig aber sind die Schaltflanken steiler, sodass parasitäre Effekte stärker zu berücksichtigen sind. Dies kann die Zuverlässigkeit des Ladesystems beeinträchtigen, und es könnten mehrfache Designzyklen der Hardware nötig sein, wenn man auf den Einsatz eines EDA-Simulationswerkzeugs verzichtet.

Der hier gezeigte Gleichrichter arbeitet bei einer Frequenz von 70 kHz, der Ausgang liefert 11 kW bei einer Gleichspannung von 800 V. Der Wirkungsgrad soll bei 98 % liegen, der Leistungsfaktor (Power Factor) größer als 0,99. Weitere Parameter zeigt Tabelle 1.

ParameterWertEingangsspannung / V400Netzfrequenz / Hz50Ausgangsspannung / V800Ausgangsleistung / kW11Schaltfrequenz / kHz70Wirkungsgrad / %>98Leistungsfaktor>0,99Klirrfaktor / %<5

Tabelle 1: Spezifikation des Gleichrichters.

Die Implementierung des Gleichrichters erfolgt mit sechs SiC-Schottky-Dioden des Typs STPSC20H12 und sechs SiC-MOSFET vom Typ SCTW35N65GV2 jeweils von STMicroelectronics, die in einer bidirektionalen Schaltung mit gemeinsamem Source-Anschluss betrieben werden. Die Gate-Treiber-Schaltung besteht aus drei (Rev. A, Bild 2) beziehungsweise sechs galvanisch isolierten SiC-MOSFETs (Rev. B).

Keysight Technologies, inverter
© Keysight Technologies

Bild 2: Platinenlayout der Rev. A (42,3 cm × 34 cm) mit Lagenaufbau (links) und der Rev. B (39,7 cm × 34 cm) mit Lagenaufbau (rechts).

Um eine konstante Ausgangsspannung zu erreichen und eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) zu implementieren, kam eine Mixed-Signal-Kontrolleinheit mit Durchschnittsstromregelung auf Basis eines ereignisgetriggerten Zustandsautomaten (SMED, Mixed-Mode-Controller STNRG388A) zum Einsatz. Weitere Kernkomponenten sind in Tabelle 2 aufgeführt.

BauteilHerstellerTeilenummerSiC-Schottky-DiodeSTMicroelectronicsSTPSC20H12SiC-Power-MOSFETSTMicroelectronicsSCTH35N65G2VGalvanisch isolierte Single-Gate-TreiberSTMicroelectronicsSTGAP2SMixed-Signal-ControllerSTMicroelectronicsSTNRG388AInduktivität 475 µHWürth Elektronik eiSos750317156Zwischenkreiskondensator 470 µFVishayMAL215759471E3

Tabelle 2: Bauteilliste des Gleichrichters.

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1. Streuparameter analysieren
2. Designmethode und Simulation
3. Abschätzung der Streuinduktivität

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