Zu den wichtigsten Anforderungen an Elektromobilität zählen lange Fahrzeugreichweiten und kurze Ladezeiten. Beide lassen sich mithilfe besserer Akkus und ausgeklügelter Leistungselektronik erreichen. Ein leistungsstarkes Referenzdesign zeigt die Möglichkeiten auf.

Die Zahl der zugelassenen Elektrofahrzeuge hat in den letzten Jahren weltweit deutlich zugenommen. Die meisten der neueren Ladestationen bieten mittlerweile schnelles Laden an, wodurch Pausen auf Langstreckenfahrten nicht viel länger dauern als beim üblichen Tanken-Kaffeetrinken-Toilettenbesuch-Stopp.

Unter idealen Bedingungen können Autos hohe Energiemengen aufnehmen, die von den Ladestationen abgegeben werden. Ersteres ist nicht wirklich ein Problem, da der Großteil der in den letzten Jahren gebauten Elektrofahrzeuge ohnehin über hochmoderne Schaltungstechnik verfügt. Gleichzeitig sorgen die Wunder moderner Halbleitertechnologie dafür, dass ältere Technologien nicht kosteneffizient eingesetzt werden können, weshalb Autohersteller nicht wirklich die Wahl haben.

Aus Sicht der Versorgungsseite stellt sich das Problem der Ladestationen anders dar. Um die bestehende Infrastruktur von Ladestationen für Elektrofahrzeuge, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind, zu verbessern, sind bestimmte Umbaumaßnahmen zwingend erforderlich. Nicht alle neu aufgestellten Ladestationen verfügen von Beginn an über die neueste technische Ausstattung; Installationskosten und Bedenken hinsichtlich der Netzstabilität fließen häufig in Entscheidungen mit ein. Zudem erschwert die Amortisierung der Installationskosten den raschen Umstieg auf neuere Schaltungen.

Ein bedeutender Trend, der rasch um sich greift und die Entwicklung von Hochleistungsladestationen für Elektrofahrzeuge möglich macht, ist die Siliziumcarbid-Technologie (SiC) („Schnelleres Laden von Elektrofahrzeugen mit SiC“). Das EliteSIC SiC-Portfolio von onsemi umfasst Dioden und MOSFETs. Die Ingenieure des Herstellers haben außerdem zahlreiche Designressourcen erarbeitet, darunter das 25 kW Referenzdesign für schnelles Laden von Elektrofahrzeugen, das auf vollständigen leistungsintegrierten EliteSiC-Modulen basiert.

Ein modulares Referenzdesign

AC/DC-Ladelösungen für Elektrofahrzeuge bestehen im Wesentlichen aus einem Active Frontend (PFC), einer resonanten Vollbrückenstufe, Ausgangsgleichrichtung, Spannungs- und Strommessung, einer LEM-Sensorschnittstelle, einem AC/DC-Regler/Steuergerät, einem DC/DC-Regler/Steuergerät, einer CAN-Schnittstelle und einer BLE-Schnittstelle (Abbildung 1).

Abbildung 1: Blockdiagramm einer grundlegenden Ladelösung für Elektrofahrzeuge (Quelle: Onsemi)

Ein 25 kW-Baustein besteht aus zwei Systemboards, einem mit dem AC/DC-Wandler (AC-Eingang: 400 V (EU), 480 V (US), DC-Ausgang 800 V), der mit dem Dual Active Bridge DC/DC-Wandler verbunden ist (DC-Ausgang: 200 V bis 1000 V). Mehrere Boards können zusammen in einem einzelnen Schaltschrank gestapelt werden, um die benötigte DC-Ausgangsleistung bereitzustellen. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel eines Ladeschranks.

Abbildung 2: Beispiel einer Ladeschranklösung (Quelle: Onsemi)

Active Frontend-Stufe

Die PFC-Stufe des Referenzdesigns besteht aus drei NXH010P120MNF1 Leistungsmodulen, von denen jedes einzelne ein F1-Modul ist, das eine 10 MΩ/1200 V SiC MOSFET-Halbbrücke und einen NTC-Thermistor enthält. Darüber hinaus verwendet es sechs NCD57000 SiC-Gate-Treiber, einen NCS20034 Spannungsverstärker und einen NCS213R Stromverstärker sowie verschiedene andere E/A-Komponenten.

DC/DC-Stufe

Auf der DC/DC-Seite befinden sich vier NXH010P120MNF1 Leistungsmodule, acht NCD57000 SiC-Gate-Treiber und weitere Komponenten. Siehe Abbildung 3.

Abbildung 3: DC/DC-Blockdiagramm (Quelle: onsemi)

Eine skalierbare Lösung

Das Ersetzen der Leistungsmodule sorgt für die Skalierbarkeit dieses Ansatzes: Die NXH010P120MNF1 Leistungsmodule eignen sich hervorragend zur Bereitstellung von 25 kW. Das NXH006P120MNF2 schafft 50 kW, das NXH004P120M3F2 ermöglicht 90 kW und das NXH003P120M3F2 bietet 120 kW. Aufgrund ihrer Verwendung kommt die modulare Lösung als Grundlage eines zukunftsfähigen Schaltschrankdesigns infrage.