Entwicklungstrends und Lösungen für ultraschnelle EV-Ladegeräte

Der boomende Markt für Elektrofahrzeuge (EV) hat die Entwicklung verschiedener Branchen, einschließlich EV-Ladesysteme, katalysiert. Um der steigenden Nachfrage nach EVs gerecht zu werden und kohlenstoffarme Ziele zu erreichen, ist es unerlässlich, eine robustere Ladeinfrastruktur durch effiziente EV-Ladesystem Designs zu etablieren. Dieser Artikel stellt die Entwicklungstrends von ultraschnellen EV-Ladegeräten und die damit verbundenen Lösungen von onsemi vor. 

Ladegeschwindigkeit ist einer der Schlüsselfaktoren, die die Kaufentscheidung von Verbrauchern für Elektrofahrzeuge beeinflussen. Durch die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom innerhalb von Ladestationen beschleunigen DC-EV-Ladegeräte die Ladegeschwindigkeit erheblich und sind mittlerweile weit verbreitet. Getrieben von starker Unterstützung durch Regierungen und Automobilhersteller erfordert der schnell wachsende EV-Markt eine robuste DC-Ladeinfrastruktur.

Die herkömmliche Lösung zum Laden von E-Fahrzeugen verwendet höhere Ladespannungen. Im Vergleich zum AC-Laden mit weicheren Spannungsgrenzen kann das DC-Schnellladen mit bis zu 1500 VDC betrieben werden, was eine höhere Ladeleistung, kleinere Ströme, verminderte Hitzeentwicklung und geringere Verluste ermöglicht. Dies unterstützt auch die Erhöhung der maximalen Spannung, um 400V- und 800V- EV-Batterien aufzunehmen und die Leistungsausgabe für ultraschnelles Laden auf über 350 kW zu steigern. Die Siliziumkarbid (SiC)-Technologie ist mit ihrer höheren Effizienz und der Fähigkeit, höhere Spannungen und Temperaturen zu bewältigen, die ideale Wahl, um diese Ziele zu erreichen.

Die SiC-Technologie revolutioniert DC-EV-Ladegeräte, indem sie einen niedrigeren R_DS(ON) bietet, die Leistungsumwandlungseffizienz auf über 97% verbessert und die Betriebskosten im Vergleich zu Lösungen auf Siliziumbasis senkt. Dies führt zu kleineren Volumen und Platzbedarf der Leistungswandler, niedrigeren Kühlanforderungen und leiseren Systemen (mit reduziertem EMI-Einfluss). SiC-Einzelbauteile werden hauptsächlich in Ladeeinheiten bis zu 50 kW eingesetzt, während Modulbauteile aufgrund ihrer Kostenvorteile für Einheiten über 50 kW bevorzugt werden (und manchmal ab 25 kW).

Ultraschnelle EV-Ladegeräte umgehen das On-Board Charger (OBC) und liefern direkt Strom an die EV-Batterie in Bereichen von 350 kW bis Megawatt. Mit Stromstärken zwischen 200 A und 500 A verkürzen sie die Ladezeiten erheblich. Diese Systeme verwenden verschiedene Leistungskonvertierungskomponenten, wie Power Integrated Modules (PIMs), die mehrere Leistungskomponenten in einem einzigen Paket integrieren, um die Montage zu vereinfachen und das Wärmemanagement zu optimieren. Darüber hinaus verbessern Wide-Bandgap-SiC-Bauteile die Effizienz und ermöglichen den Betrieb bei höheren Temperaturen und Spannungen.

Beispielsweise verwendet die DC EV-Ladelösung von onsemi Technologien zur Stromumwandlung und Leistungsverwaltung, einschließlich wichtiger Komponenten wie SiC diskrete MOSFETs, IGBTs, Leistungsmodule und isolierte Gate-Treiber sowie andere verwandte Produkte.

onsemi bietet mehrere Evaluierungsboards und Referenzdesigns an, um die Produktentwicklung der Kunden zu beschleunigen. Zum Beispiel ist das EVBUM2878G-EVB ein Evaluierungsboard für 1200V M3S 4-PACK F2 EliteSiC MOSFET-Module. Dieses Board ermöglicht Doppelimpulsschaltungsprüfungen und Open-Loop-Leistungsprüfungen für Vollbrückenmodule wie die NXH011F120M3F2PTHG und NXH007F120M3F2PTHG.

Ein weiteres Beispiel ist das EVBUM2880G-EVB, ein 1200V M3S 2-PACK F1 EliteSiC MOSFET-Modul-Evaluierungsboard. Dieses Board wird für Dual-Pulse-Schalttests und Open-Loop-Leistungstests für Halbbrückenmodule verwendet, einschließlich der NXH008P120M3F1PTG, NXH010P120M3F1PTG, NXH015P120M3F1PTG und NXH030P120M3F1PTG.

Das EVBUM2883G-EVB ist ein 1200V M3S T-NPC F2 EliteSiC Modul-Evaluationsboard. Dieses Board wird für Doppelimpuls-Schalttests und Offenen-Loop-Leistungstests für TNPC (neutralpunktgeklemmte T-Typ) Module, wie die NXH008T120M3F2PTHG und NXH011T120M3F2PTHG, verwendet. Alle diese Evaluationsboards können an einen externen Controller angeschlossen werden, um PWM-Eingänge bereitzustellen und Fehlersignale zu bearbeiten.

onsemi bietet auch das SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK Evaluierungskit an, ein 25 kW schnelles DC-EV-Ladegerät-Referenzdesignkit basierend auf SiC Power Integrated Modules. Diese Lösung aus reinem SiC umfasst PFC- und DC-DC-Stufen und nutzt mehrere 1200V, 10 mΩ Halbbrücken-SiC-Module. Es unterstützt Eingangsspannungen von 400VAC (EU) / 480VAC (US), Ausgangsspannungen von 200VDC - 1000VDC, eine maximale Ausgangsleistung von 25 kW, einen Wirkungsgrad von über 96% und bietet eine dreiphasige PFC (Leistungsfaktorkorrektur) und DAB (Dual Active Bridge), um eine bidirektionale Leistungsumwandlung für 400V/800V Batterien zu ermöglichen.

onsemi bietet eine Reihe von DC-EV-Ladelösungen für verschiedene Anwendungsfälle im DC-EV-Lademarkt, die sich an unterschiedliche Leistungsstufen und Ladezeiten für Wohn- und Gewerbeanwendungen richten. Von DC-Wallbox-Systemen unter 22 kW bis hin zu ultraschnellen EV-Ladesystemen über 350 kW sorgen onsemi's EliteSiC-MOSFETs und Field Stop 7 IGBTs für höhere Effizienz und Leistungsdichte, während isolierte Gate-Treiber die Sicherheit und Zuverlässigkeit verbessern.

Die Leistungsmodule von onsemi für ultraschnelle EV-Ladegeräte (≥ 350 kW) unterstützen das Laden mit hoher Stromstärke bis 500 A und liefern Leistungsebenen von 350 kW bis 1 MW. Das vollständige Sortiment der EliteSiC M3S T-NPC und 4-pack F2 Power Integrated Modules (PIMs) von onsemi bietet bedeutende Vorteile, darunter hervorragende thermische Leistung, hohe Leistungsdichte, hohe Effizienz und verbesserte Zuverlässigkeit. Diese Module sind als 50 kW-Modulblöcke konfiguriert, die gestapelt werden können, um Leistungsebenen über 350 kW zu erreichen.

Der NXH008T120M3F2PTHG ist ein F2 T-Typ NPC PIM mit einem 8 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET T-NPC. Er bietet Optionen mit oder ohne voraufgetragenes Wärmeleitmaterial (TIM), unterstützt 15V - 18V Gate-Ansteuerung und verwendet HPS DBC Substrate. Er bietet die Wahl zwischen lötbaren Pins und Press-fit Pins, nutzt M3S Technologie für optimierte Schaltleistung und ist einfach zu steuern mit negativen Gate-Spannungen.

Der NXH007F120M3F2PTHG ist ein F2 4-Pack Vollbrücken-PIM mit einem 7 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET. Er bietet Optionen mit oder ohne voraufgetragenem TIM, unterstützt 15V - 18V Gate-Drive, verwendet HPS DBC Substrate und verfügt über Press-fit-Pins. Er nutzt M3S-Technologie für optimierte Schaltleistung und ist einfach mit negativen Gate-Spannungen zu treiben.

Für kommerzielle EV-Ladegeräte-Leistungsmodule und diskrete Lösungen (25 - 150 kW) hat onsemi ein 25 kW DC EV-Ladegeräte-Evaluierungskit mit bidirektionaler Fähigkeit entwickelt. Dieses Kit kann in einem einzigen Schrank gestapelt werden, um sowohl 400 V als auch 800 V Standard-EV-Batteriespannungen zu unterstützen. Es verwendet einen gängigen zweistufigen EV-Ladekreis, bestehend aus einer dreiphasigen Halbbrückenstufe und einer zweiten DAB-Stufe. Das System zeichnet sich durch eine einfache Struktur, hohe Betriebseffizienz und leichte Steuerbarkeit aus. Es verwendet Phasenverschiebungsmodulation, um ZVS (Zero Voltage Switching) unter hohen Lasten zu erreichen, während es die Effizienz über einen weiten Lade-Spannungsbereich von 200 V bis 1000 V maximiert.

Das vollständige SiC-Halbbrücken-PIM von onsemi ist ideal für DC-EV-Ladegerätedesigns geeignet und bietet einfach zu montierende Gehäuse und Spezifikationen mit hervorragender thermischer Beständigkeit und parasitärer Induktivität, was eine höhere Systembetriebsleistung und Leistungsdichte ermöglicht.

Die EliteSiC PIMs von onsemi, wie die NXH008P120M3F1PTG, NXH010P120M3F1PTG und NXH015P120M3F1PTG, verfügen über eine 1200V Dual-Pack-Halbbrücke mit SiC M3S im F1-Gehäuse. Sie bieten ausgezeichnetes FOM [ = R_DS(ON) * E_OSS ], optimierte Schaltleistung mit M3S-Technologie und unterstützen 15V bis 18V Gate-Ansteuerung. Sie sind leicht mit negativen Gate-Spannungen anzusteuern, bieten Optionen mit oder ohne voraufgetragenes TIM und verfügen über Press-Fit-Stifte.

Zusätzlich bietet onsemi EliteSiC diskrete 1200 V SiC MOSFETs mit M3S-Technologie, die für den Betrieb bei hohen Temperaturen optimiert sind. Sie verfügen über eine verbesserte parasitäre Kapazität für den Hochfrequenzbetrieb, R_DS(ON) im Bereich von 13 bis 65 mΩ @ V_GS= 18 V, ultra-niedrige Gate-Ladung (Q_G(TOT) im Bereich von 55 bis 254 nC), Hochgeschwindigkeitsschalten mit niedriger Kapazität (C_OSS im Bereich von 57 bis 262 pF) und sind in einem 4-Pin-Gehäuse mit Kelvin Source verfügbar.

onsemi bietet außerdem das Top Cool SMD-Gehäuse mit dem BPAK-Wertversprechen an, das überlegene thermische Leistung, höhere Leistungsdichte und bessere thermische Widerstandsfähigkeit bietet. Die Wärmeableitung von oben senkt die PCB-Temperatur, verbessert die PCB-Nutzung, senkt die Kosten durch den Wegfall von thermischen Vias unter MOSFETs, erhöht die PCB-Zuverlässigkeit und blockiert Staub auf der PCB durch ein geschlossenes Aluminiumgehäusedesign.

onsemi hat außerdem seine neuen, hochoptimierten und innovativen 1200 V FS7 IGBTs vorgestellt, die entwickelt wurden, um Schalt- und Leitungsverluste erheblich zu reduzieren und gleichzeitig eine überlegene Schaltleistung sicherzustellen. Diese Geräte weisen geringe Schaltverluste auf, die höhere Schaltfrequenzen ermöglichen. Dies reduziert die Größe der magnetischen Komponenten, erhöht die Leistungsdichte und senkt die Systemkosten. Die FS7 IGBTs sind eine ausgezeichnete Wahl für Anwendungen, die effiziente und kostengünstige Energielösungen erfordern.

Zum Beispiel verfügt der FGY4L160T120SWD, ein 1200V Field Stop VII (FS7) diskretes IGBT, über eine maximale Sperrschichttemperatur TJ = 175°C, eine Gen7-Diode mit Co-Verpackung in einem TO-247-plus-4L-Gehäuse, einen positiven Temperaturkoeffizienten für einfache Parallelschaltung, hohe Stromkapazität, gleichmäßiges und optimiertes Schalten, geringe Schaltverluste und RoHS-Konformität.

Die Auswahl des richtigen Gate-Treibers ist entscheidend, um die Leistung in Hochleistungs- oder Hochspannungsanwendungen zu optimieren. Wichtige Überlegungen umfassen die Isolationsfähigkeit, Gate-Treiberspannungsbereiche, Isolationskapazität und Leistungsverlust, Common Mode Transient Immunity (CMTI) und Stromtreiberfähigkeit. Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren können wir Gate-Treiber auswählen, die die Leistung, Effizienz und Sicherheit von SiC/Si-MOSFETs oder IGBTs verbessern.

Hier sind einige der wichtigsten Gate-Treiber von onsemi. Der NCP51563 ist ein zweikanaliger isolierter Gate-Treiber, der 4,5 A / 9 A Quellen-/Senken-Spitzenstrom, eine typische Ausbreitungsverzögerung von 36 ns mit maximal 5 ns Verzögerungsanpassung, Einzel- oder Doppel-Eingabemodi über ANB, 5 kV galvanische Isolation, CMTI ≥ 200 kV/µs und SOIC-16WB-Gehäuse mit 8 mm Kriechstrecke unterstützt.

NCD57100 ist ein ein-kanaliger isolierter Gatetreiber, der einen Spitzenstrom von 7 A Quelle/Senke, aktive Miller-Klemmung, UVLO- und DESAT-Schutz, einen breiten Vorspannungsbereich einschließlich negativer VEE, eine Eingangsspannung von 3,3 V bis 5 V, 5 kV galvanische Isolation, CMTI ≥ 150 kV/µs und SOIC-16WB-Gehäuse mit 8 mm Kriechstrecke unterstützt.

NCD57090 ist ein einkanaliger isolierter Gate-Treiber, der 6,5 A Quelle/Senke-Spitzenstrom unterstützt. Erhältlich mit geteiltem Ausgang, aktivem Miller-Clamp oder negativer Vorspannungsversionen, 3,3 V, 5 V und 15 V Logikeingang, 5 kV Galvaniktrennung, CMTI ≥ 100 kV/µs und SOIC-8WB-Gehäuse mit 8 mm Kriechstrecke.

Wandler bestehen aus Brücken mit Wide-Bandgap-Komponenten und laufen Gefahr des Selbst-einschaltens im Low-Side-MOSFET. Die Hauptverursacher sind Miller-Kapazität, Gate-Widerstand und hoher dv/dt. Eine Lösung besteht darin, Gate-Treiber mit negativen Gate-Spannungen zu verwenden. Die Gate-Treiber von onsemi integrieren eine interne negative Vorspannung, wie der NCP51752, ein isolierter einkanaliger Gate-Treiber mit integrierter negativer Vorspannungssteuerung. Er unterstützt 4,5 A Spitzenquellen- und 9 A Spitzensenkenstrom, integrierte negative Vorspannungssteuerung (-2/-3/-4/-5 V), 36 ns Ausbreitungsverzögerung mit maximaler Verzögerungsanpassung von 5 ns, 3 V bis 20 V Eingangsspannungsversorgung, 200 V/ns dv/dt Immunität, 3,75 kV_RMS Isolation für 1 Minute (gemäß UL1577-Anforderungen) und UVLO-Optionen von 6 V und 8 V für MOSFETs oder 12 V und 17 V für SiC.

onsemi bietet auch verschiedene Signalaufbereitungs- und Steuerungsprodukte an, wie die NCS2007x-Serie von Operationsverstärkern, die einen Rail-to-Rail-Ausgangsbetrieb, eine Bandbreite von 3 MHz bieten und in Einzel-, Doppel- und Vierfach-Konfigurationen erhältlich sind. Diese Verstärker kommen in kompakten Gehäusen und unterstützen einen weiten Versorgungsspannungsbereich von 2,7 V bis 36 V, was sie ideal für verschiedene Anwendungen macht. Für hochpräzises Strommonitoring wird der NCS21x empfohlen, da er aufgrund seiner geringen Versorgungsspannung und des niedrigen Offsets seiner Null-Drift-Architektur die Stromerfassung über Shunt-Widerstände mit einem maximalen Spannungsabfall von nur 10 mV Full-Scale ermöglicht.

Für das Hilfsstromversorgungsdesign eines 25-kW-DC-EV-Ladegeräts ist der NCV890100 ein festfrequenter, monolithischer Abwärtswandler, der zur Versorgung von Niederspannungskomponenten entwickelt wurde. Er ist ideal für Systeme, die wenig Rauschen und eine kompakte Bauweise erfordern. Der NCV890100 wandelt einen Eingangsspannungsbereich von 4,5 V bis 18 V in Ausgangsspannungen bis zu 3,3 V um. Er arbeitet mit einer konstanten Schaltfrequenz oberhalb des AM-Bandes, was den Bedarf an teuren Filtern und EMI-Gegenmaßnahmen eliminiert. Der NCP3064 ist ein weiterer DC-DC-Regler, der für Step-up- und Step-down-Anwendungen mit minimalen externen Komponenten entwickelt wurde. Beide Geräte verfügen über integrierten Überhitzungsschutz (TSD).

Die Entwicklung ultraschneller EV-Ladegeräte schreitet in Richtung höherer Leistung, höherer Effizienz und größerer Intelligenz voran, um den wachsenden Anforderungen des EV-Marktes gerecht zu werden. Mit kontinuierlichen Durchbrüchen in der Halbleitertechnologie, im Design von Leistungsmodulen und im Wärmemanagement werden zukünftige Ladegeräte kürzere Ladezeiten und ein besseres Energiemanagement erreichen, was die Benutzererfahrung und die Systemstabilität verbessert. Angetrieben durch politische Unterstützung und Branchenkooperation wird die Einführung ultraschneller Ladetechnologie beschleunigt, was zu einer echten grünen Transformation im elektrischen Verkehr beiträgt. Die in diesem Artikel erwähnten schnellen Ladelösungen von onsemi werden eine Ihrer besten Optionen für den Einstieg in verwandte Industrieanwendungen sein.