Schnellladegeräte für Elektrofahrzeuge
Einführung
Elektrofahrzeuge (EV) benötigen Gleichstrom (DC), um die Lithium-Ionen-Batterien im Fahrzeug aufzuladen. Schnellere Ladegeschwindigkeiten ermöglichen es den Fahrzeugbesitzern, weniger Zeit an einer Ladestation zu verbringen und mehr Zeit zu haben, um ihr Ziel zu erreichen, sei es die Arbeit, das Zuhause oder eine lange Urlaubsreise. Die Konstrukteure von Stromversorgungen haben einige wirklich gute Designs entwickelt, um die schnellsten Ladegeschwindigkeiten innerhalb der Sicherheitsstandards zu erreichen.
Um ein gutes Schnellladesystem für E-Fahrzeuge zu entwickeln, müssen wir zunächst den Kühlungsaufwand minimieren, eine hohe Leistungsdichte erreichen und die Größe und das Gewicht des Gesamtsystems reduzieren, insbesondere bei Onboard-Ladesystemen. Eine hohe Leistungsdichte erfordert auch eine forcierte Luftkühlung. Die Verwendung von WBG-Bauteilen wird die Ladezeiten mit Sicherheit verkürzen, wobei Galliumnitrid- (GaN) oder Siliziumkarbid- (SiC) Bauteile am besten geeignet sind, um eine hohe Leistungsdichte in der Designarchitektur zu erreichen.
WBG Vorteile
WBG-Leistungsbauelemente wie SiC sind in der Lage, sehr hohe Zwischenkreisspannungen mit geringeren Verlusten zu blockieren als Silizium-Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs). Der Stromrichter kann mit einer höheren Spannung betrieben werden, wodurch die Strommenge für die erforderliche Leistungsübertragung reduziert wird. Ein geringerer Strom führt direkt zu einem geringeren Kupferverbrauch, was wiederum die Leistungsdichte erhöht. Abbildung 1.
Abbildung 1: Zentralwechselrichter (oder Stringwechselrichter), Mikrowechselrichter und Leistungsoptimierer. (Mit freundlicher Genehmigung von solartribune.com)
WBG Vorteile
Betrachten wir zunächst den Aufbau einer konventionellen On-Board-Schnelllade-Architektur mit einem zweistufigen Design, das eine Leistungsfaktor-Korrekturstufe (PFC) am Front-End und einen isolierten DC/DC-Wandler enthält. Abbildung 2.
Abbildung 2: Ein konventionelles On-Board-EV-Ladegerät (Bild aus Referenz 1))
Durch die Verwendung von Wide BandGap (WBG)-Bauelementen wie SiC und GaN können EV-Ladegeräte mit geringeren Verlusten und höherem Wirkungsgrad als Si betrieben werden, wodurch weniger Wärme erzeugt wird, was zu einem weniger umfangreichen und kostspieligen Wärmemanagement führt; WBG-Bauelemente haben auch eine höhere Durchbruchspannung (siehe Abbildung 1). Diskrete SiC-MOSFETs sind im Handel für 650V-700V, 900V, 1000V, 1200V, 1700V erhältlich, während GaN-Transistoren bis zu 650V arbeiten. Da WBG-Materialien höheren Betriebstemperaturen standhalten und geringere Leckströme sowie einen niedrigeren Wärmewiderstand aufweisen, können diese Bauelemente auf einer gegebenen Grundfläche mehr Leistung aufnehmen als Si.
Die heutigen Batteriespannungen in Elektrofahrzeugen liegen typischerweise bei 200V bis 800V+, so dass GaN für eine sichere Designpraxis unter Berücksichtigung von Schalttransienten weniger als 500V bewältigen kann, während SiC problemlos die höheren Spannungen bewältigt.
Zusätzlich zu der geringeren Wärmeentwicklung durch die reduzierten Schaltverluste haben SiC-Bauteile eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Si (4,9 W/cm-K für SiC gegenüber 1,5 W/cm-K für Si). Daher wird die Wärme leichter aus dem SiC-Bauteil herausgeleitet, so dass die Bauteiltemperatur langsamer ansteigt. GaN hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Si, aber die überlegene Schaltverlustleistung von GaN überwiegt bei dieser Schnellladeanwendung bei weitem die von Si, wie wir in den folgenden Abschnitten sehen werden.
Schnelle Schaltfunktionen führen zu geringeren Schaltverlusten. Geringere Schaltverluste verringern die während des Schaltvorgangs erzeugte Wärme und erhöhen die Effizienz. Eine geringere Wärmeentwicklung kann zu kleineren, weniger teuren Wärmemanagementlösungen führen. Der Betrieb bei höheren Frequenzen kann auch die Verwendung kleinerer, weniger teurer passiver Energiespeicherkomponenten wie Induktoren und Kondensatoren ermöglichen. GaN ist hinsichtlich der Schaltverluste SiC oder Si weit überlegen.
Die Schaltverluste geben jedoch nicht die ganze Wahrheit wieder. Die Gesamtverluste umfassen Schalt- und Leitungsverluste. Schaltverluste entstehen, wenn das Bauelement vom Aus-Zustand in den Ein-Zustand oder vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand "schaltet". Leitungsverluste treten auf, wenn das Bauelement vollständig eingeschaltet ist; der Hauptbeitrag zu den Leitungsverlusten ist Rds(on) oder (Widerstand von Drain zu Source im "eingeschalteten" Zustand). Im Allgemeinen haben SiC-Bauelemente einen niedrigeren, stabileren Rds(on) über die Temperatur als GaN-Bauelemente. Dies kann zu geringeren Leitungsverlusten bei SiC im Vergleich zu GaN führen.
Messung der Gesamtverluste
Figure of Merit (FOM) wird als allgemeiner Vergleich von Schalt- und Leitungsverlusten verwendet und berechnet sich aus (Gate-Ladung * On-Widerstand) oder (Qg * Rds(on)). Die Gate-Ladung (Qg) ist ein Indikator für die Schaltverluste, während der Rds(on) die Leitungsverluste darstellt. Vergleicht man das Produkt der beiden Parameter, so erhält man einen Hinweis auf die Gesamtleistungsfähigkeit.
GaN-Bauelemente haben ein 13-mal besseres FOM als die besten Si-Super-Sperrschicht-MOSFETs, was in erster Linie auf die sehr geringe Gate-Ladung zurückzuführen ist.
WBG Hauptmerkmale vs. Si
Sowohl SiC als auch GaN arbeiten bei höheren Frequenzen als Silizium-MOSFETs oder IGBTs. WBG-Bauteile haben auch weitaus geringere Schaltleistungsverluste als Si. Durch die höhere Schaltgeschwindigkeit der WBG-Bauelemente können auch größere und schwerere Magnete geschrumpft werden, was leichtere und leistungsärmere Designs mit besserer Energieeffizienz ermöglicht.
SiC-Bauelemente sind temperaturbeständiger als GaN-Bauelemente, so dass weniger Kühlung erforderlich ist, aber GaN hat eine niedrigere Gate-Schwellenspannung als SiC, um den erforderlichen Ausgangsstrom zu erreichen. GaN hat auch eine höhere Spannungsänderungsrate in Bezug auf die Zeit (dv/dt) und schaltet daher sowohl im Ein- als auch im Aus-Zustand schneller als SiC, wodurch höhere Geschwindigkeiten möglich sind.
Schnelle On-Board-Ladegeräte (OBC) mit GaN
GaN hat eine hohe Leistungsdichte und sehr schnelle Schaltfähigkeiten, was es zum bevorzugten Leistungsbauelement gegenüber Si und SiC für schnelle On-Board-Ladegeräte unter 600 V macht. Geringere Schaltverluste und ein höherer Wirkungsgrad sorgen dafür, dass GaN weniger Wärme ableitet und somit kleinere, weniger teure Kühlkörper erforderlich sind.
Diese Eigenschaften führen zu einem kleineren, leichteren Ladegerät, was für die Beibehaltung eines geringeren Gewichts und einer geringeren Größe des Fahrzeugs von Vorteil ist. GaN kann den MTTF-Zuverlässigkeitsmaßstab von einer Million Stunden bei einer Sperrschichttemperatur von 200°C oder höher erfüllen.
GaN im Vergleich zu Si: Größe, Effizienz und Gewicht sind wichtig für OBC.
- 4 x kleiner (1/4 der Größe)
- 4 x Feuerzeug (1/4 des Gewichts)
- 4 x Wirkungsgrad (1/4 des Wirkungsgradverlustes)
SiC-Bauelemente werden aufgrund ihrer höheren Durchbruchsspannungen, ihrer Robustheit, ihres schnellen Schaltverhaltens und ihrer höheren Leistungsfähigkeit die Oberhand gewinnen, wenn sich die Ladespannungen dem Bereich von 600 V bis 1 kV+ nähern. Auch hier verliert Silizium den Kampf.
Schnelle Off-Board-Ladegeräte mit SiC
Normalerweise wird ein Transformator benötigt, um die hohen Spannungen aus dem Netz zu reduzieren. Mit SiC-Bauelementen (bei höheren Spannungen über 600 V, die kleinere Kabelgrößen und weniger Wärmeentwicklung ermöglichen) muss die Spannung jedoch nicht herabgesetzt werden, so dass der Strom direkt aus dem Netz genutzt werden kann. Das Off-Board-Ladegerät wird über einen dreiphasigen Wechselstromkreis mit 208, 240, 380, 480 oder 575 V versorgt. SiC eignet sich hervorragend für diese schnellen Off-Board-Ladegeräte mit höherer Spannung, die den externen Wechselstrom mit einem Wirkungsgrad von mehr als 93 % in Gleichstrom umwandeln.
Ein Gleichstromladegerät mit 150 kW kann eine Batterie in nur 15 Minuten für 200 km aufladen. Auch hier gewinnt SiC den Kampf als schnelles Off-Board-Ladegerät, weil die Kabel vom Ladegerät zum Elektrofahrzeug kleiner und leichter sind und SiC die Umwandlung von Wechselstrom in höhere Gleichspannung bewältigen kann.
Design mit höherer Ladeleistung
Konstrukteure können eine höhere Ladeleistung erreichen, z. B. 2,4 kVAC/50 kW, indem sie zehn 230VAC/7,2kW-Lademodule verwenden, die eingangsseitig in Reihe und ausgangsseitig parallel geschaltet sind. Diese Architektur mit GaN-HEMT-Bauelementen bietet gleichzeitig hohe Leistungsdichte, hohen Wirkungsgrad und hohe Leistung. Für das Schnellladen sollte eine Nullspannungsschaltung implementiert werden. Abbildung 3.
Weitere Einzelheiten zu dieser Designarchitektur finden Sie in Referenz 1.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass GaN und SiC die erste Wahl für Leistungselemente in Schnelllade-Architekturen für Elektrofahrzeuge sind.
Mit dem richtigen Leiterplatten-Layout und dem richtigen Design der Gate-Drive-Parameter können GaN- und SiC-Leistungsbauelemente die Leistungsfähigkeit von EV-Ladegeräten revolutionieren und dazu beitragen, dass schnelles EV-Laden Realität wird.
Abbildung 3: ISOP-Architekturen (Input-Series-Output-Parallel) für ultraschnelle Matrixwandler-Ladegeräte, die GaN-HEMT-Bauelemente verwenden, benötigen keine sperrigen Zwischenkreiskondensatoren und haben einen hohen Wirkungsgrad (Bild aus Referenz 1)
Referenzen
- H. Naik, "4H-SiC Lateral MOSFETs auf (0001), (000-1) und (11-20) orientierten SiC-Substraten" Master's Thesis, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, 2009. (Dieser Artikel befindet sich möglicherweise hinter der kostenpflichtigen Firewall von IEEE Xplore)
- Vergleich von Halbleitern mit breiter Bandlücke für Leistungsanwendungen, B. Ozpineci, L.M. Tolbert, S.K. Islam, M. Chinthavali, Oak Ridge Laboratory
