Schnelles Tanken an der Stromtankstelle

Schnelles Laden von Elektrofahrzeugen durch CoolSiC

19. Oktober 2021, 11:28 Uhr | Von Pradip Chatterjee, Application Engineer bei Infineon Technologies

Für effiziente und leistungsfähige Ladesäulen ist SiC die entscheidende Halbleiterschaltertechnologie. Zusätzlich ist die Forderung nach einer bidirektionalen Leistungswandlung ein entscheidender Faktor. Darum sind insbesondere CoolSiC-Produkte für die Umsetzung geeignet.

Der Markt für Elektrofahrzeuge (Electric Vehicle; EV) wird weiterhin wachsen, und es sind bereits umfangreiche Investitionen in neue Fahrzeugmodelle und Infrastruktur geplant. Diese Entwicklung wird angetrieben durch die dringend notwendige Reduzierung der CO2-Emissionen. Zusätzlich gibt es weltweit Regierungsinitiativen, die die Fahrzeughersteller dazu bringen sollen, ihre Flotten zu elektrifizieren. Infolgedessen wird erwartet, dass ab 2030 mehr als 50 Prozent der Fahrzeuge auf den Straßen mit einem batteriebetriebenen Antrieb ausgestattet sein werden.

Eine wichtige Voraussetzung dafür ist jedoch die Verfügbarkeit von Ladestationen. Beim Laden soll der Zeitaufwand künftig mit dem einer herkömmlichen Betankung vergleichbar sein. Darum wird neben dem langsamen Aufladen zu Hause auch an Ladezeiten von weniger als zehn Minuten gearbeitet, beispielsweise für den Einsatz an Autobahnraststätten. Derartige Ladekonzepte sind jedoch nur mit einem hocheffizienten, modularen Design möglich, das sowohl für Konfigurationen mit mehreren Anschlüssen als auch für solche mit hoher Leistung geeignet ist.

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Wahl der optimalen Ladetechnik

Ein EV-Ladesystem mit einer Nennleistung zwischen 30 kW und 150 kW basiert in der Regel auf einer zweistufigen Architektur. Sie umfasst eine AC-DC-Umrichterstufe auf der Netzseite und eine isolierende Hochfrequenz-DC-DC-Umrichterstufe auf der Batterieseite. Dabei werden Subeinheiten zwischen 30 kW und 50 kW kombiniert, die zusammen bis zu 350 kW oder noch mehr Leistung liefern. Für eine Ladesäule ist ein höherer Wirkungsgrad über den gesamten Batterieladezyklus entscheidend, gefolgt von der Leistungsdichte, wodurch hohe Ladeleistungen auf kleinstem Raum bereitgestellt werden können.

Nach einem EMV-Filter (elektromagnetische Verträglichkeit) folgt ein AC-DC-System, das Wechselspannung in Gleichspannung umwandelt und in der Regel über einen gesteuerten Gleichrichter verfügt. Für diese Stufe werden entweder eine 2-stufige Active-Front-End- (AFE) oder die 3-stufige Vienna-Rectifier-Topologie bevorzugt. Beide Schaltungen gewährleisten eine stabile Zwischenkreisspannung zwischen 800 V und 900 V. Insbesondere der Vienna-Rectifier-Gleichrichter wird wegen seines höheren Wirkungsgrads und seiner geringeren EMV-Signatur häufig eingesetzt. Normalerweise ist er unidirektional und ermöglicht den Einsatz von 600-V-Leistungshalbleitern. Durch Bauteile wie den 1200-V-CoolSiC wird das aktive Front End mit einer 2-Level-Topologie zur Leistungsfaktorkorrektur immer beliebter. Besonders interessant ist dabei die Fähigkeit, bidirektional zu arbeiten.

Die DC/DC-Umrichterstufe bietet eine Isolierung. Außerdem gibt es eine Auswahl an Topologien, die den bidirektionalen Betrieb sowie entlastetes Schalten zur Steigerung der Effizienz ermöglichen. In dieser Umrichterstufe ist die Resonanz-LLC- oder CLLC-Umwandlungstopologie mit einer einzelnen Brücke (1200-V-SiC) oder mit kaskadierten Brücken (600 V) weitverbreitet. Allerdings ist es schwierig, die Anforderungen an die Ausgangsspannung durch die Frequenzmodulationssteuerung zu erfüllen – typischerweise liegen diese zwischen 200 und 929 V. Eine gängige Lösung für derartig hohe Leistungen ist die ebenfalls im Bild dargestellte Dual Active Bridge (DAB), also ein PWM-Umrichter mit fester Frequenz, der für einen breiten Lastbereich mit entlastetem Schalten designt werden kann.

Optionen für Halbleiterschalter

SiC hat gegenüber Silizium einige Vorteile, die sich aus den spezifischen Materialeigenschaften ergeben. So bietet die SiC-Technologie nicht nur eine hohe Elektronenbeweglichkeit, sondern verfügt im Vergleich zu Silizium auch über eine hohe kritische Durchbruchspannung, sodass kleinere Chips mit kürzerer Kanallänge hergestellt werden können. Infolgedessen ergibt sich bei einer bestimmten Nennspannung ein geringerer Durchlasswiderstand. Außerdem reduziere sich durch die kleinere Chipgröße auch die Kapazitäten des Bauteils. Da die Kapazitäten bei jedem Zyklus geladen und entladen werden müssen, verringern sich dadurch die Schaltverluste.

SiC-MOSFET-Body-Dioden haben eine weitaus geringere Abschaltenergie als Si-Dioden und können daher in hart geschalteten Topologien mit geringen dynamischen Verlusten eingesetzt werden. So hat die SiC-MOSFET-Body-Diode zwar eine höhere Durchlassspannung als ein gleichwertiges Silizium-Gegenstück, aber das hat nur Auswirkungen auf die Verluste, wenn die Diode während der Totzeit leitet, bevor der Kanal des SiC-MOSFET die Stromführung übernimmt und damit eine Synchrongleichrichtung realisiert wird. Typische moderne Umrichter-Steuerungen sind jedoch in der Lage, diese Totzeit aktiv zu minimieren, um die Verluste gering zu halten.

Beim Vergleich der verschiedenen SiC-Bauteile für das Design von Umrichtern sind die Leistungskennzahlen (Figure of Merits, FOM) die wichtigsten Leistungsparameter. Sie sollten darum auf die verwendete Topologie und die Betriebsbedingungen abgestimmt werden. Verschiedene Interpretationen der FOM und deren Berechnung sind erforderlich, um für unterschiedliche Topologien die beste Leistung aus den SiC-Bauteilen herauszuholen. Dabei gilt:

$R subscript D S left parenthesis o n right parenthesis end subscript space times space Q subscript O S S end subscript$ ist das Produkt aus Einschaltwiderstand und Ladung der Ausgangskapazität. Ein niedriger Wert weist auf eine bessere Kombination aus Leitverlusten und schneller Entladung der Energie in der Ausgangskapazität hin. Auf diese Weise wird der Betrieb bei hohen Frequenzen mit kurzer Totzeit ermöglicht. Der Wert ist besonders bei Resonanzwandlern wichtig, um die Kontrolle zu behalten und die Effizienz bei hohen Frequenzen zu maximieren.
$R subscript D S left parenthesis o n right parenthesis end subscript times Q subscript R R end subscript$ ist das Produkt aus Durchlasswiderstand und Sperrverzögerungsladung der Body-Diode. Der Wert zeigt den Trade-off zwischen Leit- und Body-Dioden-Sperrverzögerungsverlusten, den ein Bauteil erreicht. Dies wirkt sich auf den Gesamtverlust in hart geschalteten Umrichtern aus, die üblicherweise in PFC-Stufen verwendet werden.
$R subscript D S left parenthesis o n right parenthesis end subscript space times space Q subscript g$ ist das Produkt aus Einschaltwiderstand und Gate-Ladung, ein FOM, der für die Effizienz im Teillastbetrieb wichtig ist. Die Gate-Treiber-Ansteuerungsverluste steigen dabei proportional mit der Frequenz und dem Gate-Spannungshub.