Gestaltungstipps und Lösungen für 25 kW DC-Schnellladegeräte für Elektrofahrzeuge

Gleichstrom-Schnellladen verbessert die Effizienz beim Laden von Elektrofahrzeugen

Die Gleichstrom (DC) Schnellladetechnologie ist eine entscheidende Methode für das Laden moderner Elektrofahrzeuge (EV), da sie die Ladezeiten erheblich verkürzt und die Benutzerfreundlichkeit und Effizienz verbessert.

Die Schlüsseltechnologien, die beim DC-Schnellladen beteiligt sind, beginnen mit den Ladestandards. Derzeit gibt es verschiedene Ladestandards wie CHAdeMO, Combined Charging System (CCS) und Tesla Supercharger, unter anderem. Verschiedene Marken und Modelle von Elektrofahrzeugen (EVs) können unterschiedliche Ladestandards unterstützen, daher ist es wichtig, die Kompatibilität zwischen der Ladeausrüstung und dem Fahrzeug sicherzustellen, wenn Ladegeräte ausgewählt werden. 

Darüber hinaus liefert das DC-Schnellladen typischerweise eine höhere Ladeleistung im Vergleich zum AC-Laden, was eine schnelle Energieübertragung in die Batterie ermöglicht. Das Leistungsniveau der Ladung hat einen erheblichen Einfluss auf die Geschwindigkeit und Effizienz des Ladevorgangs. Daher ist es entscheidend, die passende Ladeleistung basierend auf den Anforderungen des Elektrofahrzeugs und den Spezifikationen der Ladeausrüstung zu wählen.

DC-Schnellladen erfordert spezielle Ladegeräte, die typischerweise an Ladestationen oder bestimmten Orten installiert werden. Während des Ladens ist es wichtig, auf Ladesicherheitsaspekte zu achten, einschließlich der Vermeidung von Überhitzung, Überladung oder anderen Sicherheitsrisiken. Im Allgemeinen sind sowohl die Ladeausrüstung als auch das Elektrofahrzeug mit Sicherheitsmechanismen ausgestattet. Dennoch sollten die Nutzer während des Ladevorgangs wachsam auf eventuelle Abnormalitäten achten und bei Bedarf umgehend Maßnahmen ergreifen, um den Ladevorgang zu beheben oder zu stoppen. Im Vergleich zum langsamen Laden hat das DC-Schnellladen einen stärkeren Einfluss auf die Batterie. Daher ist es ratsam, die Häufigkeit des DC-Schnellladens mäßig zu kontrollieren, um übermäßige Nutzung zu vermeiden, die die Batterielebensdauer und -leistung beeinträchtigen kann.

Während die DC-Schnellladetechnologie die Ladegeschwindigkeit und den Komfort von Elektrofahrzeugen effektiv verbessert, ist es wichtig, bei der Nutzung Ladeanforderungen, Ladeleistung, Ladeausrüstung und Ladesicherheitsfragen zu berücksichtigen, um einen sicheren und zuverlässigen Ladevorgang zu gewährleisten.

SiC-Module sind Schlüsselkomponenten in der DC-Schnellladetechnologie

Siliziumkarbid (SiC) Module sind wesentliche Komponenten in der DC-Schnellladetechnologie und bestehen aus SiC-MOSFETs und SiC-Dioden. Die Boost-Module werden in DC-DC-Stufen von Solarwechselrichtern verwendet, bei denen SiC-MOSFETs und Dioden mit einer Spannung von 1200V eingesetzt werden.

SiC-Module sind Leistungsmodulen, die Siliziumkarbid-Halbleiter als Schalter verwenden, um die Leistung effizient umzuwandeln und dadurch die Systemeffizienz zu verbessern. Die Hauptfunktion von SiC-Modulen ist die Leistungsumwandlung. Siliziumkarbid bietet Vorteile gegenüber Silizium aufgrund eines geringeren Widerstands beim Entfernen von der Quelle (was zu einer verbesserten Effizienz führt), wodurch SiC-Geräte bei höheren Schaltfrequenzen betrieben werden können. Systeme auf SiC-Basis sind kompakter und leichter im Vergleich zu Siliziumlösungen, was kleinere Designs ermöglicht. Daher sind SiC-Geräte eine ideale Lösung zur Verbesserung der Effizienz und zur Optimierung des Wärmemanagements.

Um die Herausforderungen des DC-Schnellladens anzugehen, innoviert onsemi kontinuierlich in der SiC-Technologie und bei Verpackungslösungen, mit dem Ziel, den Designprozess von Ladegeräten für Elektrofahrzeuge zu vereinfachen. Mit einem umfassenden Portfolio an diskreten Leistungs- und Analoglösungen, Schutzgeräten, Sensoren und Konnektivitätsprodukten bietet onsemi hochwertige Komponenten und maßgeschneiderte Systeme, die auf die Bedürfnisse der Kunden zugeschnitten sind. Mit über 20 Jahren gesammelter Systemexpertise integriert onsemi all diese Technologien, um umfassende Lösungen für das Laden von Elektrofahrzeugen bereitzustellen.

Designherausforderungen bei Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge

Die Konstruktion eines kompakten, effizienten und zuverlässigen schnellen Ladegeräts für Elektrofahrzeuge (EV) ist keine leichte Aufgabe. Neben der eigentlichen Leistungskonvertierungsschaltung sind Hardware-Schutztechnologien entscheidend, was die Designer dazu zwingt, verschiedene „Was-wäre-wenn“-Szenarien zu analysieren. Die Lösungen werden Dämpfungselemente umfassen, die durch passive RC-Netzwerke und Sperrkomponenten gebildet werden. 

Übermäßige Spannungen und/oder Ströme sind immer ein Anliegen, was den Schutz zur Sicherstellung erforderlich macht, dass Leistungshalbleiter nicht beschädigt werden. Eine Technik beinhaltet das Hinzufügen eines Spannungskomparators mit definierten Schwellenwerten und Hysterese. Wenn eine Überspannung erkannt wird, blockiert dieser Komparator die Gattertreiber.

Überstrom kann anspruchsvoller sein, obwohl der NDC57000-Gatetreiber von onsemi einen Überstrom-Desaturationsschutz (DESAT) bietet, wodurch minimaler Einfluss auf Stückliste (BOM) und Produktkosten erzielt wird. Solche Hardware-Schutzmaßnahmen sind besonders während Tests und Fehlerbehebung entscheidend, insbesondere in Hochlaufphasen, wenn unvorhersehbares Schalten am wahrscheinlichsten ist. 

Das NDC57000 kann in der Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Stufe verwendet werden, um SiC Power Integrated Modules (PIMs) zu schützen, indem die Testmethodik zur Bewertung des DESAT-Trip-Stromschwellenwerts erklärt wird, was ein notwendiger funktionaler Test ist. Die DC-Link-Kondensatoren werden verwendet, um den erforderlichen Spitzenstrom zum Auslösen bereitzustellen und Impulse in das Gate zu injizieren, um die Module einzuschalten, wodurch der DESAT-Schutz ausgelöst werden kann. Als Ergebnis der Tests können theoretische Werte mit praktischen Werten verglichen und entsprechende Designanpassungen vorgenommen werden. 

Für den Haupt-Dual Active Bridge (DAB) DC-DC-Wandler kann ebenfalls der NDC57000 verwendet werden, wobei Spannungsabfälle zur Überwachung der Stromstärken herangezogen werden. Diese Methode ist jedoch empfindlich gegenüber Gerätecharakteristika, und obwohl einige Informationen in Datenblättern enthalten sind, ist eine Prototypvalidierung dennoch erforderlich.

Ein weiterer Ansatz besteht darin, vor der Prototypenerstellung zu simulieren, um Parameter genauer festzulegen. Dies ermöglicht eine zerstörungsfreie Simulation und ein Verständnis der primären und sekundären Kurzschlusswirkungen. Die diskrete Verbesserung des DESAT-Schutzes bietet eine Lösung mit einem großen Betriebsspannungsbereich für DC-DC-Stufen-Designer mit Ausgangsspannungen von 200-1000V.

Ein wesentlicher Vorteil der SiC-Technologie ist ihre Fähigkeit, mit hohen Frequenzen zu arbeiten. Dies bedeutet jedoch schnelle dv/dt-Übergangszeiten, die die physikalische Anordnung eines 25-kW-Schnellladegeräts beeinflussen können. Eine Layout-Optimierung ist unerlässlich, um parasitäre Induktivität zu minimieren, insbesondere in Stromversorgungspfaden. Zusätzlich sind Snubber-Schaltungen an mehreren Stellen erforderlich, um Überschwinger und Klingeln zu minimieren, die Schäden und EMI-Probleme verursachen könnten.

Systemsteuerung auf Systemebene ist ein weiterer wichtiger Bereich. In einem 25 kW-Schnellladegerät sind mehrere Regelkreise in den PFC und DAB integriert, um Parameter wie den aktiven Flussausgleich im Transformator und die Primär-zu-Sekundär-Phasenverschiebung zur Regelung von Ausgangsspannung und -strom zu steuern. Eine Herausforderung dabei besteht darin, die Verstärkung für jeden Regelkreis auszuwählen, um die Stabilität des Gesamtsystems zu gewährleisten. 

Aufgrund der für Tests benötigten Hochleistungsausrüstung bauen Designer oft eine Rückkopplungsschaltung auf dem Prüfstand mit zwei PFC-Stufen und einem DAB, um sicher unter kontrollierten Bedingungen testen zu können. Rückkopplungstests sind auch während der Einbrennphase in der Massenproduktion anwendbar, bei der Energie aus getesteten Geräten zurückgewonnen wird, was erhebliche Herstellungskosten spart und das Ziel geringer CO2-Emissionen weltweit unterstützt.

Hocheffizienter und Zuverlässiger IGBT-Treiber

Der NCD57000 von onsemi ist ein Hochstrom-Einzelkanal-IGBT-Treiber mit interner galvanischer Trennung, der speziell für hohe Systemeffizienz und Zuverlässigkeit in Hochleistungsanwendungen entwickelt wurde. Zu seinen Funktionen gehören komplementäre Eingänge, Open-Drain-FAULT- und Ready-Ausgänge, aktiver Miller-Klemmkreis, negative Gate-Spannung, präzise UVLO, DESAT-Schutz, DESAT-Soft-Abschaltung, Unterstützung für hohe Stromausgänge bei IGBT-Miller-Plateau-Spannungen (+4/-6 A), kurze Signallaufzeit mit präziser Anpassung, hohe transiente und elektromagnetische Immunität sowie eine galvanische Isolation von 5 kV mit unabhängigen hohen und niedrigen (OUTH und OUTL) Treiberausgängen zur Vereinfachung des Systemdesigns. 

Der NCD57000 unterstützt 5V- und 3,3V-Signale auf der Eingangsseite und bietet einen breiten Vorspannungsbereich auf der Treiberseite, einschließlich negativer Spannungskapazität. Er bietet >5 kVrms (UL1577-Bewertung) galvanische Isolation und >1200 Viorm (Betriebsspannungs-) Funktionalität. Der NCD57000 ist in einem Wide-Body SOIC-16 Gehäuse mit 8 mm Kriechstrecke zwischen Eingang und Ausgang verpackt, um die Anforderungen an verstärkte Sicherheitsisolierung zu erfüllen.

Um die Produktentwicklung der Kunden zu beschleunigen, bietet onsemi auch ein Referenzdesign-Kit für den NCD57000 an. Das SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK ist ein 25 kW schnelles DC-Elektrofahrzeug-Ladegerät-Referenzdesign-Kit, das auf SiC-Leistungsintegrationsmodulen basiert. Diese vollständige SiC-Lösung besteht aus PFC- und DC-DC-Stufen mit mehreren 1200V, 10 mohm Halbbrücken-SiC-Modulen NXH010P120MNF1 mit ultra-niedrigem RDS(ON) und minimierter parasitärer Induktivität, was die Leitungs- und Schaltverluste erheblich reduziert. Durch die Nutzung eines leistungsstarken Universal Controller Board (UCB) mit Zynq®-7000 SoC FPGA und ARM®-basiertem Prozessor liefert dieses System bis zu 25 kW Leistung bei Ausgangsspannungen von 200V bis 1000V und erreicht eine Effizienz von 96% zu jeder Zeit beim Laden von 400V oder 800V Elektrofahrzeug-Batterien. 

Das SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK verfügt außerdem über den NCD57000 Hochstromtreiber mit galvanischer Isolation und die SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB Hilfsstromversorgungslösung, die stabile Spannungsschienen für Niederspannungskomponenten, Einschaltstrombegrenzung, integrierten Schutz gegen Überspannung und mehrere Kommunikationsschnittstellen bietet.

Der SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK unterstützt dreiphasige PFC und DAB für bidirektionale Leistungsumwandlung von 400V/800V Batterien, konform mit den Standards EN55011 Klasse A und IEC 61851. Er integriert SiC-Module NXH010P120MNF1 mit Halbbrücke, 1200V, 10 mohm SiC M1 MOSFETs, zusammen mit isolierten Hochstrom- und hocheffizienten Gatetreibern wie dem NCD57000.

Fazit

Die DC-Schnellladetechnologie stellt einen bedeutenden Durchbruch im Bereich des EV-Ladens dar und bietet eine bequemere und effizientere Möglichkeit, Elektrofahrzeuge aufzuladen. Mit kontinuierlichen Fortschritten und Anwendungen in der Technologie ist das DC-Schnellladen zu einer der gängigen Methoden zum Aufladen moderner Elektrofahrzeuge geworden. Dieser Artikel behandelt die Konstruktionstechniken für ein 25-kW-DC-Schnellladegerät und die von onsemi eingeführten Lösungen, die darauf abzielen, die Entwicklung von DC-Schnellladeprodukten zu beschleunigen und einen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt zu erlangen.