Onboard-Ladegeräte (Onboard Charger, OBC) lösen ein wesentliches Problem beim Betrieb von Elektrofahrzeugen (Electric Vehicles, EVs). Sie wandeln AC-Leistung aus dem Stromnetz in DC-Leistung um, die mit der Batterie kompatibel ist, und ermöglichen dadurch das Laden von Elektrofahrzeugen. Angesichts der Tatsache, dass jedes Jahr mehr Designs, Architekturen und Größen von Elektrofahrzeugen auf den Markt kommen, werden die Implementierungen von OBCs immer komplexer. Da der Trend in der Branche zu höheren Batteriespannungen für schnelleres Laden und zum bidirektionalen Laden geht, müssen Entwickler wichtige Entscheidungen bezüglich der Topologien und Materialien treffen, die sie für ihre OBC-Lösungen verwenden. Dieser Blogbeitrag bietet einen Überblick über OBCs und vergleicht die Materialauswahl im Hinblick auf deren unterschiedliche Konstruktionen.

OBC-Übersicht

Die weltweiten Standards für CO₂-Emissionen werden weiter verschärft. Infolgedessen übersteigt die Nachfrage nach elektrischer Ladekapazität die Verfügbarkeit von DC-Schnellladegeräten (Level 3), wodurch der Markt für OBCs anzieht. Ladegeräte bestehen aus mehreren primären Bauteilen, die in Abbildung 1 unten dargestellt sind:

Der AC-Strom aus dem öffentlichen Stromnetz durchläuft einen Filter zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen, um das „Rauschen“ externer Quellen zu dämpfen und zu verhindern, dass Störungen vom OBC in das Stromnetz zurückgestrahlt werden. Von dort aus gelangt der Strom in die erste von zwei Hauptstufen des OBC, die sogenannte Blindleistungskompensationsstufe (Power Factor Correction, PFC). Die PFC-Stufe wandelt den AC-Strom aus dem Netz in DC-Strom um und reduziert dabei die Phasenverzerrung der Eingangsspannung und des Stroms erheblich. Dieser Schritt sorgt für einen Leistungsfaktor von mehr als 0,9, um die Einspeisung von Blindleistung in das Netz zu minimieren. Der Strom fließt dann in einen isolierten DC-DC-Wandler, der die Ausgangsspannung und den -strom an den Ladezustand der Batterie anpasst und eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang herstellt.

Topologien und Materialien für die Blindleistungskompensation (PFC)

Bei OBCs können zahlreiche PFC-Topologien zum Einsatz kommen, abhängig von der Anzahl der AC-Eingangsphasen und der Ausgangsleistung des Netzes, die an den OBC geliefert werden. Einphasige AC-Eingänge verwenden typischerweise die traditionelle Boost- oder Totem-Pole-Topologie. Bei bidirektionalen Designs kommt für die PFC die Totem-Pole-Konfiguration zum Einsatz. Entwickler können die Totem-Pole-PFC für ein- oder dreiphasigen Betrieb konfigurieren, der in eine oder zwei Richtungen arbeiten kann.

Konventionelle Boost-PFC

Die konventionelle Boost-PFC ist einfach zu implementieren, sorgt für ein geringes durch elektromagnetisches Störungen verursachtes Rauschen und bietet eine skalierbare Leistung durch die Verschränkung der Phasen. Durch den Einsatz von Dioden lässt sich die Komplexität reduzieren, was jedoch den Wirkungsgrad beeinträchtigt. Die herkömmliche PFC eignet sich am besten für OBC mit einphasigem AC-Eingang und ist unidirektional. Ideale Bauteile für diese Topologie sind MOSFETs mit Super Junction (SJ), Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated Gate Transistors, IGBTs) und Dioden aus Siliziumkarbid (SiC).

Brückenlose Boost-PFC

Die brückenlose Boost-PFC eignet sich auch für einphasige OBC und hat keine Brückenverluste wie die traditionelle Boost-Technologie. Die Diode des inaktiven MOSFETs verringert jedoch die Effektivität der Leistungskorrektur, was ihre Praxistauglichkeit für OBCs einschränkt.

Totem-Pole-PFC

Die konventionelle Boost-PFC ist zwar kostengünstig, aber weniger effizient. Demgegenüber bietet die brückenlose Totem-Pole-PFC den höchsten Wirkungsgrad unter den kommerziellen Optionen, allerdings zu einem höheren Preis. Der Wirkungsgrad ist am höchsten mit Bauteilen mit großer Bandlücke (Wide Bandgap, WBG) in den schnellen Zweigleitungen (Fast Legs), insbesondere im Modus mit kontinuierlichem Stromfluss (Continuous Conduction, CCM) und im Modus mit Dreieckstrom (Triangular Conduction, TCM). Sie unterstützt einen bidirektionalen Leistungsfluss, ihre Umsetzung ist jedoch komplex. Zu den Geräten, die für die brückenlose Totem-Pole-PFC infrage kommen, zählen SiC-MOSFETs (Fast Leg) und IGBTs (Slow Leg) für den CCM-Modus und Si-MOSFETs für den TCM-Modus.

Anwendungsfälle für SiC vs. IGBTs

Die variablen Leistungsanforderungen bei neuen EV-Ladesystemen bieten Entwicklern die Möglichkeit, die Optionen von Halbleiter-Bauteilen zu nutzen, um den Wirkungsgrad oder die Kosten ihres Systems zu optimieren. Nachfolgend finden Sie einen Überblick über die Materialauswahl für die PFC in Ladegeräten.

SiC-MOSFETs

SiC-MOSFETs sind eine robuste Materialwahl und eignen sich für alle Leistungsstufen und Topologien. Sie sind ideal für OBCs mit hohem Wirkungsgrad in Luxus- oder Hochleistungs-EVs. Diese und andere Applikationen, die hohe Schaltfrequenzen mit geringen Verlusten verlangen, können eine schnelle Ladung mit besserem Wärmemanagement erreichen. SiC-MOSFETs werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer hohen Leistungsdichte im Vergleich zu IGBTs oder Si-SJ-MOSFETs für den Einsatz in PFC, primärseitigem DC-DC und sekundärseitiger Gleichrichtung (bidirektional) in 800-V-Batteriesystemen empfohlen.

IGBTs

IGBTs eignen sich auch für die meisten 400-V-PFC-Topologien und DC-DC-Stufen, wenngleich sie aufgrund der höheren Verluste bei 11 kW und 22 kW nicht so leistungsfähig sind wie SiC. IGBTs eignen sich gut für kostensensitive Applikationen in EVs im mittleren Leistungsbereich und für Applikationen mit geringeren Schaltfrequenzen, bei denen die Kosteneffizienz eine höhere Priorität hat.

Si-SJ-MOSFETs

Diese Bauteile eignen sich für einen engeren Anwendungsbereich: Boost- und brückenlose Boost-Schaltungen unter 7,2 kW Leistung. Durch Ergänzung um eine Vienna-Topologie für die Leistungsstufen 11 kW und 22 kW lässt sich in solchen Applikationen die Leistung steigern. SiC-SJ-MOSFETs eignen sich für den Einsatz in 400-V-Batteriesystemen für PFC- und DC-DC-Stufen.

Im Allgemeinen eignen sich SiC-MOSFETs und IGBTs am besten für hohe Performance und Flexibilität beim Design des Systems.

Vergleichsanalyse zwischen SiC und IGBTs

SiC-MOSFETs bieten einen besseren Wirkungsgrad bei hohen Spannungen und Frequenzen und eignen sich aufgrund ihrer geringen Verlustleistung ideal für Applikationen, die einen hohen Wirkungsgrad und kompakte Designs erfordern. Darüber hinaus bieten diese Bauteile eine ausgezeichnete Performance, mit der sich anspruchsvolle Applikationen in 800-V-Elektrofahrzeugen umsetzen lassen, die einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Leistung verlangen.

IGBTs haben jedoch eine neue Möglichkeit für Applikationen geschaffen, bei denen die Kosteneffizienz wichtiger ist als die Maximierung des Wirkungsgrads. Für die Hersteller ergeben sich dadurch ebenfalls Kostenvorteile, da IGBTs ausreichende sekundärseitige Leistungen für 400-V-Elektrofahrzeuge liefern.

Fazit

OBCs wandeln die AC-Spannung des öffentlichen Netzes in eine DC-Spannung um, die für das elektrische Laden von Batterien geeignet ist. Diese kommt bei den meisten Ladeanwendungen von Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Die Auswahl der richtigen Bauteile und Topologien für OBCs ist entscheidend für die Optimierung der Leistung und des Wirkungsgrads beim Laden von Elektrofahrzeugen. Unterschiedliche Topologien und Bauteile bringen jeweils Vorteile und Nachteile mit sich, sodass Entwickler die beste Implementierung für eine Applikation finden müssen. SiC-MOSFETs eignen sich hervorragend für Applikationen mit hohem Wirkungsgrad und hoher Spannung, während IGBTs eine kostengünstige Alternative für Systeme mit niedrigerer Spannung darstellen. Wenn Entwickler die Kompromisse und Anwendungsfälle für verschiedene Bauteile verstehen, können sie fundierte Entscheidungen treffen, die dem gesamten Betriebsverhalten ihrer Lösungen für das elektrische Laden Rechnung tragen.

Von branchenführenden SiC-MOSFETs bis hin zum Schaltungsschutz bieten die OBC-Lösungen von onsemi für das elektrische Laden die Bauteile, die für ein zuverlässiges und robustes OBC-Design benötigt werden.