Weltweit haben Regierungen die Abschaffung von Fahrzeugen beschlossen, die mit fossilen Brennstoffen betrieben werden. Ihr Ziel ist es, sowohl private als auch gewerbliche Fahrzeughalter zu umweltfreundlicheren Alternativen wie Elektrofahrzeugen zu bewegen. Doch eines der größten Hindernisse bei dieser Umstellung ist die Reichweite der Fahrzeuge. Die Mehrzahl der Elektrofahrzeuge im unteren und mittleren Leistungsbereich können problemlos mehrere Strecken zurücklegen, bevor sie wieder aufgeladen werden müssen. Wenn Sie allerdings eine längere Reise planen, dauert das Aufladen eines Elektrofahrzeugs auf der Strecke immer noch länger als das Betanken eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
Die Industrie arbeitet mit Hochdruck an der Verkürzung der Ladezeiten und entwickelt dazu schnelle DC-Ladelösungen (Gleichstrom), die mit der Betankung eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor vergleichbar sind. Im Gegensatz zum On-Board-Ladegerät (OBC) des Elektrofahrzeugs, das mit Wechselstrom (AC) betrieben wird, umgehen schnelle DC-Ladegeräte das OBC und speisen die Energie direkt in die Batterieladeschaltung des Elektrofahrzeugs ein. Und anders als ihre AC-Pendants können solche Ladegeräte ein Elektrofahrzeug in nur 10 Minuten auf 80 % Reichweite aufladen.
Aktuelle DC-Schnellladegeräte liefern eine Ladeleistung zwischen 50 kW und 350 kW bei einer Spannung von bis zu 800 V. Die leistungsstärksten Ladegeräte werden in der Regel an Autobahnraststätten installiert. Inwieweit Ihr Elektrofahrzeug mit dieser Leistung geladen werden kann, hängt von seiner Auslegung und seinen Batterien ab. Die meisten modernen Elektrofahrzeuge sind auf Ladeleistungen unter 300 kW begrenzt.
Bei einer derart hohen Leistung und Spannung gibt es viele technische Herausforderungen. Dazu gehören beispielsweise Sicherheit und Zuverlässigkeit, Wartungsfreundlichkeit, Effizienz, Größe und Kosten – und zwar sowohl Betriebs- als auch Anschaffungskosten. Bei der Entwicklung wurden bisher Silizium-IGBTs und MOSFETs eingesetzt. Aber mit der Einführung von Halbleitern mit breiter Bandlücke, wie zum Beispiel Siliziumkarbid von Anbietern wie Wolfspeed, werden SiC-MOSFETs immer häufiger als Leistungsschalter eingesetzt.
Die Kernkomponenten eines DC-Schnellladegeräts lassen sich in zwei Hauptblöcke unterteilen: die AC/DC-Stufe, die den eingehenden Wechselstrom in eine Zwischenkreisspannung umwandelt, und einen DC/DC-Wandler, der die Batterien des Elektrofahrzeugs mit Gleichstrom versorgt. Hinzu kommen Bezahlsysteme, eine Mensch-Maschine-Schnittstelle und Konnektivitätselemente. Der Leistungsteil solcher Ladegeräte setzt sich aus mehreren Modulen zusammen, wobei jedes Modul in der Regel zwischen 15 kW und 50 kW zur Gesamtleistung beiträgt.
Ein möglichst hoher Wirkungsgrad und eine hohe Leistungsdichte sind wichtige Designziele, mit denen die Entwickler kleinere und leichtere Module entwickeln können, die weniger Probleme mit der Wärmeableitung haben.
Für die AC/DC-Stufe ist das Active Front End (AFE) eine gängige Topologie, bei der sechs Silizium-IGBTs mit einer Schaltfrequenz von 20 kHz eingesetzt werden. Eine solche 22-kW-AFE-Stufe erreicht voraussichtlich einen respektablen Spitzenwirkungsgrad von 97,2 %. Die Leistungsdichte liegt allerdings bei etwa 3,5 kW/L, wobei die thermischen Designelemente etwa 20 % der Systemkosten ausmachen.
Aus diesem Grund setzen die Entwickler zunehmend auf SiC-basierte Designs. Im Vergleich zu siliziumbasierten Alternativen nimmt der Widerstand RDS(ON) von SiC-MOSFETs mit steigender Temperatur weniger stark zu. Da der RDS(ON) bei Betriebstemperatur der Anwendung niedriger ist als bei Silizium, ist auch die Wärmeabgabe geringer. Bauelemente wie der Wolfspeed 1200 V CCB021M12FM3 in WolfPACK™-Leistungsmodulen mit 21 mΩ SiC-MOSFETs eignen sich hervorragend für eine AFE-Topologie. [i]
Diese SiC-MOSFETs arbeiten zudem mit höheren Schaltgeschwindigkeiten von bis zu 45 kHz, so dass im Vergleich zu einem IGBT-basierten AFE eine kleinere Drossel verwendet werden kann. Darüber hinaus betragen die Kosten für die Wärmeableitung dank der geringeren Wärmeabgabe nur 10 % der Gesamtsystemkosten.
Mit dem CRD25AD12N-FMC ist auch ein AFE-Referenzdesign mit 25 kW für schnelle DC-Ladeanwendungen verfügbar. Dieses bidirektionale Design erreicht dank der verwendeten WolfPACK-Dreiphasen-Konfigurationsmodule einen Spitzenwirkungsgrad von 98,5 % und Leistungsdichten von >4,6 kW/L.[i]
Auch in der DC/DC-Stufe löst SiC das Silizium ab. Schalter auf Siliziumbasis, die bei etwa 100 kHz in DC/DC-Resonanz-LLC-Wandlern eingesetzt werden, können Spitzenwirkungsgrade von 97,5 % und Leistungsdichten von 3,5 kW/L erreichen. Aufgrund der Leistungsanforderungen ist jedoch in der Regel ein verschachteltes Design notwendig und dadurch steigt die Anzahl der Komponenten und die Komplexität.
Durch den Umstieg auf ein SiC-MOSFET-Design mit diskreten Bauelementen wie dem Wolfspeed C3M0032120K können die Schaltgeschwindigkeiten auf bis zu 250 kHz erhöht werden. Diese SiC-MOSFETs im TO-247-4-Gehäuse mit vier Pins bieten auch einen Kelvin-Pin. In hart verschalteten Topologien mit hohen Strömen und hohen Frequenzen können dadurch Nebensignaleffekte und Schaltverluste reduziert werden. Dadurch lassen sich diese Verluste im Vergleich zur Verwendung von SiC-Bauelementen mit drei Anschlüssen um bis zum Vierfachen verringern. Ein resonantes CLLC-Referenzdesign mit der Bezeichnung CRD-22DD12N verwendet nur acht diskrete SiC-MOSFETs in einem Design für einen bidirektionalen DC/DC-Wandler mit 22 kW. In einem Schnellladegerät für Elektrofahrzeuge lassen sich damit Spitzenwirkungsgrade von über 98,5 % bei Leistungsdichten von 8 kW/L erreichen.
Mit der wachsenden Zahl von Elektrofahrzeugen im kommenden Jahrzehnt wird auch die Nachfrage nach kürzeren Ladezeiten steigen. Dabei sind Materialien mit breiter Bandlücke, wie beispielsweise SiC-MOSFETs von Wolfspeed, die ideale Lösung. Sie zeichnen sich durch geringere Verluste aus, geben weniger Wärme ab und ermöglichen höhere Leistungsdichten als vergleichbare Designs auf Basis von Silizium-Bauelementen.
Stuart Cording ist Elektronik-Ingenieur und technischer Autor mit den Schwerpunkten Halbleiterindustrie und Embedded Systeme