Gleichspannungs-Ladesysteme mit 350 kW Hohe Leistung für mehr Reichweite

AC/DC-Gleichrichtung

Auf Basis moderner Leistungstransistoren können in Kombination mit leistungsfähigen Mikrocontrollern und digitalen Signalprozessoren (DSPs) sehr effiziente AC/DC-Gleichrichter-Schaltungen realisiert werden. Damit wird ein sauberer Sinus-Strom vom Netz, eine geringe gesamte Harmonische Verzerrung (Total Harmonic Distortion, THD) von ≤ 5 Prozent und eine unabhängige, hoch dynamische Regelung des aktiven und passiven Leistungsflusses gewährleistet. Letztendlich – wenn es die gewählte Topologie zulässt – ist der bidirektionale Leistungsfluss zwischen den AC- und DC-Seiten relativ simpel.

Eine der häufigsten Topologien ist der Two-Level Voltage Source Converter (2L-VSC). Er besteht aus einem Array von sechs Leistungsschaltern, typischerweise IGBTs oder SiC-MOSFETs zusammen mit einem Kondensator als DC-Link, um eine höherer Ausgangsspannung als die Eingangsphasen-Spannungen zu erzeugen. Das aktive Front-End unterstützt auch den bidirektionalen Energiefluss und einen einstellbaren Leistungsfaktor. Der Switching-Ansatz kann dabei entweder Pulsweitenmodulation (PWM) oder Space Vector Modulation (SVM) nutzen.

Die Topologie lässt sich einfach mit dem 1.200-V-CoolSiC-MOSFET-Modul FS45MR12W1M1_B11 (Bild 1) realisieren. Das Modul enthält sechs Leistungsschalter in einem EasyPACK-1B-Gehäuse und bietet ein niederinduktives Design sowie einen integrierten Temperatursensor mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC). Auch Halbbrücken-Produkte wie das FF11MR12W1M1_B11 im EasyDUAL-1B-Gehäuse sind eine Alternative. Designs auf Basis der Module liefern 60 bis 100 kW bei Schaltfrequenzen von 25 bis 45 kHz.

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AC/DC-Gleichrichtung

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Wenn ein bidirektionaler Stromfluss erforderlich ist, ist ein dreiphasiger Vienna-Gleichrichter (3-Level) eine oft eingesetzte Möglichkeit. Er benötigt nur drei aktive Schalter und bietet eine duale Blindleistungskompensation (Power Factor Correction, PFC) für die Aufwärtswandlung. Im Falle einer Fehlfunktion ist die Regelung gegenüber Kurzschluss am Ausgang oder Front-End geschützt und kann sogar noch beim Verlust einer Eingangsphase weiterarbeiten.

Der Aufbau mit diskreten Komponenten kann in der Leistungsklasse wiederum aufwendig sein, was für integrierte Leistungsmodule für solche Hochvolt-Anwendungen spricht.

Ein symmetrischer Boost-PFC-Vienna-Gleichrichter kann mit SiC-Modulen wie dem F3L15MR12W2M1_B69 in einem Easy-2B-Gehäuse (Bild 2) implementiert werden. Jedes Modul verfügt über zwei schnelle 1.200-V-Gleichrichter-Dioden, zwei langsamere 1.600-V-Gleichrichter-Dioden und zwei 120-V-MOSFETs mit 15 mΩ. Drei der Easy-2B-Module lassen sich zu einem sehr kompakten Hochstromdesign mit geringen Verlusten kombinieren (Bild 3).

Variable DC-Ladespannungen

Die CharIN-Spezifikation für DC-Ladesysteme definiert die Ausgangsspannung mit 200 V bis 920 V, mit maximalen Strömen bis zu 500 A und einer Leistung von 350 kW. Es gibt verschiedene DC/DC-Topologien, die dafür eingesetzt werden können – sowohl isoliert als auch unisoliert.
Ganz unabhängig von der in der Praxis gewählten Topologie, sind nachfolgende wichtige Schlüsselanforderungen zu erfüllen:

  • Physikalische Abmessungen
  • Kosten
  • EMI-Vorgaben
  • Zero-Voltage-Switching (ZVS) oder Zero Current Switching (ZCS)
  • Höchste Effizienz
  • Hohe Leistungen
  • Ripple für Ausgangsspannung und Ausgangsstrom möglichst gering, um Aufheizen der Batterien zu vermeiden

Topologien, die einen isolierten Hochfrequenz-Transformator wie resonante Vollbrücken-LLC-Resonanzwandler nutzen, bieten eine hohe Effizienz bei ihrer Resonanzfrequenz. Außerdem sind sie sehr kompakt mit ihren ZVS-Switches auf der Primärseite und den ZCS-Dioden auf der Sekundärseite. Allerdings stellt die Unterstützung von einem weiten Ausgangsspannungsbereich mit dem Ansatz eine Herausforderung dar.

Bei Ausgangsleistungen von mehr als 100 kW und wenn die galvanische Isolation durch den Netztransformator gewährleistet ist, kann auch ein nicht-isolierter Buck-Boost-Konverter zum Einsatz kommen. In einer Multiphasen-Konfiguration kann er einen Wirkungsgrad von bis zu 98,5 Prozent erreichen. Der Design-Ansatz reduziert zudem das Pulsieren des Stromes aufgrund der versetzten Spannungspulse. Das modulare Design (Bild 3) ermöglicht die einfache Anpassung der Abmessungen und Betriebsparameter an Design- Änderungen im Hinblick auf Ausgangsspezifikationen, Leistungsfähigkeit oder Abmessungen.

Schnellladesäulen erhöhen Akzeptanz

Die Akzeptanz von Elektroautos hängt zu einem Großteil von der verfügbaren Ladeinfrastruktur ab. Manche Bedenken können durch bessere Kommunikation des bestehenden Netzwerks und Investition in schnelle DC-Lade-HPCs ausgeräumt werden – insbesondere im Hinblick auf längere Fahrten. Flüssigkeitskühlung ist ein wichtiger Aspekt bei der Wärmeabfuhr. So kann erreicht werden, dass die gewählten elektrischen Topologien und Komponenten sehr effizient und einfach zusammen mit der Mechanik integriert werden können. SiC-Bauelemente inklusive Dioden und Switches sind ein entscheidender Bestandteil für die jeweiligen Designs – beginnend mit den Gleichrichterstufen und für die Implementierung der DC/DC-Topologien, um die erforderliche Batterie-Ausgangsleistung bereitzustellen.

 

Der Autor

Pradip Chatterjee

ist seit 2018 bei Infineon Technologies und verantwortet dort die Anwendung EV Charging. In seiner Funktion beobachtet und bewertet er die Marktanforderungen und -entwicklungen als Basis für die Unterstützung von Kunden bei Designs von Ladeeinrichtungen. Pradip Chatterjee besitzt einen Master für Power Electronics und verfügt über rund 15 Jahre Erfahrung im Design von Stromrichtern und Systeme.