Ein Leitfaden zu DC-Schnellladegeräten für Elektrofahrzeuge und Stromversorgungstopologien

AC-zu-DC EV-Ladegerät-Topologieoptionen

Einphasiger Totem-Pole-PFC (Leistungsfaktorkorrektur)

Die einphasige Totem-Pole-PFC-Topologie ist ein relativ einfaches Design mit geringen Stücklistenkosten. Sie verfügt über zwei Haupttreiberschalter sowie Dioden oder niedrige RDSON MOSFETs zur Gleichrichtung. Sie ist von Natur aus zu bidirektionalem Betrieb fähig (z.B. Vehicle-to-Grid, V2G-Laden), aber der kontinuierliche Leitungsmodus (CCM) ist nur praktisch, wenn SiC und GaN-Schalten verwendet werden, nicht bei der Verwendung traditioneller Si-Komponenten.   Insgesamt neigt diese Topologie dazu, aufgrund hoher Schaltverluste weniger effizient zu sein, obwohl die Leitungsverluste niedrig sind. Die Effizienz kann durch die Verwendung von vier statt zwei überlappenden Leistungsstufentreibern und durch den Einsatz von SiC- und GaN-Schalten verbessert werden.

Einphasige Neutralpunktgekoppelte Leistungsfaktorkorrektur (NPC PFC)

Die einphasige NPC-Topologie wandelt Wechselstrom in positive und negative Gleichspannungsausgänge um, mit einem Satz—oder geklemmten—Neutralpunkt dazwischen. Diese Topologie kann sehr geringe Verzerrungen erzeugen, mit niedrigerer Spannung über den Leistungsschaltern, da nur die Hälfte des gesamten Gleichspannungsbereichs von jedem Gleichspannungsniveau verarbeitet wird (im Gegensatz zum Betrieb von Vollbereichsgleichrichtern). Kostenwirksame MOSFET-Schalter können daher in dieser Topologie implementiert werden (anstelle von SiC oder GaN). Allerdings werden vier Schalter und ihre zugehörigen Treiber benötigt, während nominell nur zwei in der einphasigen Totempfahl-PFC-Topologie erforderlich sind.   Bidirektionaler Betrieb ist über seinen aktiven Schaltbetrieb möglich. Diese Topologie kann weiter verbessert werden mit GaN/SiC-Schaltungen, wenn extrem hohe Leistung erforderlich ist.

Dreiphasige Zweistufige Leistungsfaktorkorrektur (PFC)

Die dreiphasige Zwei-Level-PFC-Topologie ist ein Aufwärts-Gleichrichterkreis, der sechs Schalter verwendet. Es handelt sich um eine einfache Topologie sowohl aus der Perspektive der Stückliste als auch der Schaltung und kann einen bidirektionalen Leistungsfluss mit einem angemessenen Wirkungsgrad ermöglichen.
 
Obwohl dies eine elegant einfache Möglichkeit ist, eine bidirektionale dreiphasige Leistungsumwandlung zu implementieren, gibt es einige Nachteile bei dieser Topologie. Im Gegensatz zu einigen hier diskutierten Topologien müssen Schalter in der Lage sein, die gesamte Busspannung zu blockieren. Beispielsweise würde ein 800-VDC-Ausgang SiC-Schalter mit einer Nennspannung von 1200 V oder ähnlich leistungsfähige Geräte zur Regelung erfordern. Der ordnungsgemäße Betrieb erfordert auch eine Filterinduktivität, um den Eingangsstrom auf niedrige Gesamtharmonische Verzerrungswerte (THD) zu regulieren. Die elektromagnetische Interferenz (EMI) ist im Vergleich zu anderen PFC-Topologien hoch, und die Volllast-Spannungsbelastungen, denen die Komponenten ausgesetzt sind, können die langfristige Zuverlässigkeit beeinflussen.

Wien Gleichrichter

Der Vienna Gleichrichter, patentiert im Jahr 1993, ist geeignet für Anwendungen zur Leistungsfaktorkorrektur bei Dreiphasensystemen mit hoher Leistung. Er kann im kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM) betrieben werden und ist relativ einfach zu steuern. Diese Topologie ermöglicht eine höhere Effizienz bei erhöhten Schaltfrequenzen im Vergleich zu Zwei-Pegel-PFC-Konfigurationen, indem Si-MOSFETs oder IGBTs und SiC-Schottky-Dioden in ihrem Dreilevel-Design verwendet werden. Die Vienna-Gleichrichter-Topologie zeichnet sich durch hohe Effizienz und niedrige THD aus.
 
Ein charakteristischer Nachteil des Vienna-Gleichrichters ist, dass er nominal nur die unidirektionale Energieumwandlung von AC-Netzstrom zu DC-Anwendungen (d. h. EV-Ladung) unterstützt. Allerdings kann bidirektionale Energie durch den Ersatz der Leistungsdioden durch aktive Schalter implementiert werden.

Dreiphasiger Neutralpunktgekoppelter (NPC) PFC

Die dreiphasige NPC-Topologie, ähnlich der zuvor diskutierten einphasigen NPC-Topologie, erweitert das Schaltungskonzept auf drei Phasen. Wie bei der einphasigen Version muss jeder Treiber nur die halbe Busspannung verarbeiten. Dies verringert die Schaltverluste und Spannungsbelastung und ermöglicht die Verwendung kostengünstigerer 600V-Komponenten im Gegensatz zu 1200V-Typen. Die dreiphasige NPC-Topologie kann daher je nach Anforderungen mit Si-, SiC- oder GaN-Technologie implementiert werden. Diese Topologie ist in der Lage zur bidirektionalen Leistungsumwandlung und stellt aufgrund ihrer geringen Schaltverluste und hohen Effizienz eine ausgezeichnete Wahl für Schaltfrequenzen über 50 kHz dar.   Für die dreiphasige NPC-Steuerung sind neun Gatedriver erforderlich, im Gegensatz zu den vier, die für die einphasige Version benötigt werden, wobei jeder einen eigenen Steuerkreis benötigt. Für eine bessere Wärmeverwaltung können NPC-Dioden durch aktive Schalter ersetzt werden, wodurch eine aktive Neutralpunktklemmung (ANPC) Topologie entsteht. Jede dieser NPC-Topologien ist sowohl vom BoM- als auch vom Schaltungsstandpunkt aus recht komplex.

Dreiphasig, dreistufig, T-Typ Neutralpunktgeklemmt (TNPC)

Diese Topologie funktioniert ähnlich wie der zuvor beschriebene dreiphasige, zweistufige PFC-Schaltkreis, fügt jedoch einen aktiven bidirektionalen Schalter von jeder 3-Phasen-AC-Leitung zur DC-Link-Mitte hinzu. Hierbei muss die Hoch- und Niederspannungsseite jeder AC-zu-DC-Umwandlung weiterhin komplett geschaltet werden, weshalb Schalter benötigt werden, die in der Lage sind, diese Steuerung durchzuführen (z.B. 1200V IGBTs und Dioden für einen 800V-DC-Link-Bereich). Der bidirektionale Schaltaufbau zur DC-Link-Mitte ist jedoch nur erforderlich, um die Hälfte dieser Spannung zu regeln, und kann daher mit Geräten niedrigerer Nennleistung umgesetzt werden.   Insgesamt sind die Umwandlungsverluste im Vergleich zu NPC-Topologien gering, aber die gesamten Schaltverluste sind aufgrund der Schalter hoch, die den gesamten Spannungsbereich blockieren müssen. Sie bietet eine bessere Effizienz im Vergleich zu NPC-Topologien, zusammen mit einem etwas einfacheren Layout und einer geringeren Anzahl von Komponenten. Sie kann für bidirektionales Schalten verwendet werden und bietet eine gute THD-Leistung.

DC-zu-DC-Ladegerät-Topologie-Optionen für Elektrofahrzeuge

Zusätzlich zur Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) muss die korrekte Gleichstromspannung an das Fahrzeug und/oder die Batterie geliefert werden. Auch hier gibt es mehrere Optionen.

Ladestation-Leistungstopologien – AC/DC

Phasenverschobene Vollbrücke (PSFB)

In dieser Topologie werden vier Schalter auf der Primärseite eines Brückengleichrichters mit einem DC-Transformator zusammen mit einer Induktivität implementiert. Die Eingangs-Gleichstromleistung wird über einen Regler phasenverschoben, der sowohl die Spannung als auch den Strom auf der Primär- und Sekundärseite erfasst, jedoch nur die Schalter auf der Primärseite ansteuert. Die Sekundärseite verwendet Dioden, um die phasenverschobene Ausgangsleistung zu regulieren.   Dies wird nur für die unidirektionale Leistungsübertragung verwendet. Die Effizienz ist typischerweise niedrig, mit moderaten Leitungsverlusten und hohen Schaltverlusten. Die Kosten für diese Topologie sind moderat, mit einer einfachen Steuerungseinrichtung, was sie in einigen Fällen betrachtenswert macht.

LLC Resonanzwandler

Der LLC-Resonanzwandler ist ähnlich zur PSFB-Topologie, fügt jedoch einen Kondensator auf der Primärseite hinzu. Aktive Schalter auf der Primärseite regulieren die Eingangsleistung. Das System ist am effizientesten, wenn es nahe seiner inhärenten Resonanzfrequenz betrieben wird. Dies ermöglicht ZVS (Zero Voltage Switching) beim Einschalten und ZCS (Zero Current Switching) beim Ausschalten.   Diese Topologie ermöglicht nur eine unidirektionale Leistungsübertragung. Das Steuerungslayout aus der Sicht der Gesamtschaltung ist das gleiche wie bei einem PSFB, aber die tatsächliche Implementierung kann schwieriger sein, insbesondere im Parallel- und synchronen Betrieb, was oft externe Steuerlogik erfordert. Die EMI-Leistung ist besser als bei hart geschalteten Topologien wie dem PSFB. Die Gesamteffizienz ist hoch, mit geringen Schaltverlusten und hohen Leitungsverlusten. Die Implementierungskosten sind moderat und typischerweise niedriger als bei einer Dual Active Bridge-Konfiguration.

Bidirektionaler Doppelbrückenkonverter (DAB)

Das Design des dualen Active-Bridge-Umrichters ist nahezu identisch mit der oben beschriebenen PSFB-Topologie. Aktive Schalter auf der Primärseite ermöglichen eine Phasenverschiebung; jedoch verwendet die Sekundärseite eine Anordnung von vier aktiven Schaltern (z. B. SiC- oder GaN-Geräte) anstelle von Dioden, um diese Stromversorgung zu regeln. Dies ermöglicht einen bidirektionalen Leistungstransfer sowie eine feinkörnigere Kontrolle über den Energieumwandlungsbetrieb von Primär- zu Sekundärseite.   Neben seinen bidirektionalen Nutzungseigenschaften kann diese aktive Steuerungsanordnung eine insgesamt bessere Effizienz als PSFB-Topologien bieten, mit sehr geringen Leitungsverlusten. Dennoch treten hohe Schaltverluste auf. Die Steuerung, obwohl immer noch unkompliziert, ist komplexer als bei der PSFB-Konfiguration. Ein Gate-Treiber muss sowohl auf der Sekundär- als auch auf der Primärseite des Transformators eingesetzt werden. Die Kosten für diese Topologie sind vergleichsweise hoch.

DAB im CLLC-Modus

Diese Topologie funktioniert ähnlich wie das zuvor beschriebene dreiphasige, zweistufige PFC-Schaltungssetup, fügt jedoch einen aktiven bidirektionalen Schalter von jeder 3-Phasen-Wechselstromleitung zur Gleichstromverbindung-Mittelpunkt hinzu. Hierbei müsste die High-Side und Low-Side jeder AC-zu-DC-Umwandlung weiterhin in ihrer Gesamtheit geschaltet werden, weshalb Schalter erforderlich wären, die diese Regelung ermöglichen (z. B. 1200V IGBTs und Dioden für einen 800V DC-Link-Bereich). Die bidirektionale Schaltanordnung zur Gleichstromverbindung-Mittelpunkt ist jedoch nur erforderlich, um die Hälfte dieser Spannung zu regeln, und kann daher mit Geräten niedrigerer Nennwerte implementiert werden.   Insgesamt sind die Umwandlungsverluste im Vergleich zu NPC-Topologien gering, aber die gesamten Schaltverluste sind hoch aufgrund der Schalter, die den vollständigen Spannungsbereich blockieren müssen. Sie bietet eine bessere Effizienz im Vergleich zu NPC-Topologien, zusammen mit einer etwas einfacheren Anordnung und einer geringeren Anzahl an Komponenten. Sie kann für bidirektionales Schalten verwendet werden und bietet eine gute THD-Leistung.

Überlegungen bei der Auswahl einer EV-Ladetopologie

Bei der Betrachtung einer Topologie für AC-DC-Gleichrichtung sowie DC-DC-Wandlung im Kontext von EV-Laden sollten Sie zunächst überlegen, ob Sie mit 3-Phasen- oder Einphasen-Wechselstrom arbeiten werden, sowie die Topologie im Hinblick auf Ladezeit, Zuverlässigkeit, Wärmeerzeugung und Platzbedarf. Mit der Gesamt-Topologie ausgewählt, können Sie sich dann mit den Einzelteilen und den Schaltungskosten befassen. Ziehen Sie in Betracht, zur Topologieebene oder sogar zu den höheren Designkriterien zurückzukehren, falls erforderlich.   Die gute Nachricht ist, dass es eine Vielzahl von Topologien sowie Komponentenoptionen gibt, die Ihre Projektanforderungen erfüllen können. Wenn Sie einen Ausgangspunkt benötigen, bietet eInfochips, ein Unternehmen von Arrow, ein 30 kW-Referenzdesign, das verwendet werden kann, um den Designprozess zu beschleunigen.