Gestaltungstipps und Lösungen für 25 kW DC-Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge

Gleichstrom-Schnellladung verbessert die Ladeeffizienz von Elektrofahrzeugen

Gleichstrom (DC)-Schnellladetechnologie ist eine entscheidende Methode für das moderne Laden von Elektrofahrzeugen (EV), da sie die Ladezeiten erheblich verkürzt und die Benutzerfreundlichkeit sowie die Effizienz verbessert.

Die zentralen Technologien beim DC-Schnellladen 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) unterstützen unterschiedliche Ladestandards, daher ist es entscheidend, die Kompatibilität zwischen Ladeausrüstung und Fahrzeug zu gewährleisten, 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. Die Ladeleistung hat erheblichen Einfluss auf die Ladegeschwindigkeit und Effizienz. Daher ist es entscheidend, die geeignete Ladeleistung basierend auf den Anforderungen des Elektrofahrzeugs und den Spezifikationen der Ladeausrüstung auszuwählen.

DC-Schnellladen erfordert spezielle Ladegeräte, die typischerweise an Ladestationen oder bestimmten Standorten installiert sind. Während des Ladevorgangs ist es wichtig, auf Sicherheitsaspekte des Ladens zu achten, einschließlich der Vermeidung von Überhitzung, Überladung oder anderen Sicherheitsrisiken. Im Allgemeinen sind sowohl die Ladegeräte als auch das Elektrofahrzeug mit Sicherheitsmechanismen ausgestattet. Dennoch sollten Benutzer wachsam gegenüber möglichen Unregelmäßigkeiten während des Ladevorgangs bleiben und im Bedarfsfall umgehend Maßnahmen ergreifen, um das Laden zu unterbrechen oder zu stoppen. Im Vergleich zum langsamen Laden belastet das DC-Schnellladen die Batterie stärker. Daher empfiehlt es sich, die Häufigkeit von DC-Schnellladungen moderat zu kontrollieren, um übermäßigen Gebrauch zu vermeiden, da dieser die Lebensdauer und Leistung der Batterie beeinträchtigen kann.

Während die DC-Schnellladetechnologie die Ladegeschwindigkeit und den Komfort von Elektrofahrzeugen effektiv verbessert, ist es wichtig, während der Nutzung Ladestandards, Ladeleistung, Ladeausrüstung und Sicherheitsaspekte beim Laden zu berücksichtigen, um einen sicheren und zuverlässigen Ladevorgang zu gewährleisten.

SiC-Module sind Schlüsselkomponenten in der DC-Schnellladetechnologie

Siliziumkarbid (SiC)-Module sind wesentliche Komponenten der DC-Schnellladetechnologie und bestehen aus SiC-MOSFETs und SiC-Dioden. Die Boost-Module werden in den DC-DC-Stufen von Solarwechselrichtern verwendet und nutzen SiC-MOSFETs und Dioden mit einer Bemessung von 1200V.

SiC-Module sind Leistungsmodule, die Siliziumkarbid-Halbleiter als Schalter nutzen, um Energie effizient umzuwandeln und dadurch die Systemeffizienz zu verbessern. Die Hauptfunktion von SiC-Modulen ist die Energieumwandlung. Siliziumkarbid bietet gegenüber Silizium Vorteile durch einen geringeren Widerstand beim Ableiten der Energie (was zu höherer Effizienz führt), wodurch SiC-Geräte bei höheren Schaltfrequenzen arbeiten können. Systeme auf Basis von SiC sind kompakter und leichter im Vergleich zu Siliziumlösungen, was kleinere Designs ermöglicht. Daher sind SiC-Geräte eine ideale Lösung zur Steigerung der Effizienz und Verbesserung des Wärmemanagements.

Um die Herausforderungen beim DC-Schnellladen anzugehen, innoviert onsemi kontinuierlich in der SiC-Technologie und bei Verpackungslösungen, mit dem Ziel, den Designprozess von Ladegeräten für Elektrofahrzeuge zu vereinfachen. Durch die Nutzung eines umfassenden Portfolios aus diskreten Leistungs- und Analoglösungen, Schutzvorrichtungen, Sensoren und Konnektivitätsprodukten bietet onsemi hochwertige Komponenten und kundenspezifische 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.

Design-Herausforderungen bei Schnellladestationen für Elektrofahrzeuge

Das Design eines kompakten, effizienten und zuverlässigen Schnellladers für Elektrofahrzeuge (EV) ist keine einfache Aufgabe. Neben der eigentlichen Leistungselektronik sind Hardware-Schutztechnologien entscheidend, da Designer verschiedene „Was-wäre-wenn“-Szenarien analysieren müssen. Lösungen umfassen Entstörschaltungen, die durch passive RC-Netzwerke und Sperrkomponenten gebildet werden. 

Übermäßige Spannungen und/oder Ströme sind immer ein Problem, das Schutzmaßnahmen erfordert, um sicherzustellen, dass Leistungshalbleiter nicht beschädigt werden. Eine Technik besteht darin, einen Spannungskomparator mit definierten Schwellenwerten und Hysterese hinzuzufügen. Wenn eine Überspannung erkannt wird, blockiert dieser Komparator die Gate-Treiber.

Überstrom kann herausfordernder sein, obwohl der NDC57000-Gate-Treiber von onsemi über einen Überstrom-Desaturationsschutz (DESAT) verfügt, wodurch dies mit minimalen Auswirkungen auf die Stückliste (BOM) und die Produktkosten gelöst wird. Solche Hardware-Schutzvorrichtungen sind besonders während Tests und Debugging von entscheidender Bedeutung, insbesondere in den Einführungsphasen, in denen unvorhersehbares Schalten am wahrscheinlichsten ist. 

Der NDC57000 kann in der Leistungsfaktorkorrektur (PFC)-Stufe verwendet werden, um SiC-Leistungs-Integrationsmodule (PIMs) zu schützen, wobei die Testmethodik zur Bewertung des DESAT-Auslösestromschwellenwerts erklärt wird, die ein notwendiger Funktionstest ist. Die Gleichspannungs-Link-Kondensatoren werden verwendet, um den erforderlichen Spitzen-Auslösestrom bereitzustellen und Impulse in das Gate einzuspeisen, um die Module einzuschalten und die DESAT-Schutzfunktion auszulösen. Durch das Testen können theoretische Werte mit praktischen Werten verglichen und Designanpassungen entsprechend vorgenommen werden. 

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

Ein weiterer Ansatz besteht darin, vor der Herstellung von Prototypen Simulationen durchzuführen, um Parameter genauer festzulegen. Dies ermöglicht zerstörungsfreie Simulationen und das Verständnis von primären und sekundären Kurzschluss-Effekten. Die diskrete Verbesserung des DESAT-Schutzes bietet DC-DC-Stufen-Designern eine Lösung mit einem breiten Betriebsspannungsbereich und Ausgangsspannungen von 200-1000V.

Ein bedeutender Vorteil der SiC-Technologie ist ihre Fähigkeit, bei hohen Frequenzen zu arbeiten. Allerdings bedeutet dies schnelle dv/dt-Steigraten, die den physikalischen Aufbau eines 25-kW-Schnellladegeräts beeinflussen können. Eine Optimierung des Layouts ist entscheidend, um parasitäre Induktivitäten, insbesondere in den Stromversorgungsspuren, zu minimieren. Darüber hinaus sind Dämpfungsschaltungen an mehreren Stellen erforderlich, um Überschwingungen und Schwingungen zu minimieren, die Schäden und EMI-Probleme verursachen könnten.

Die Steuerung auf Systemebene ist ein weiterer wichtiger Bereich. In einem 25-kW-Schnellladegerät sind mehrere Regelkreise innerhalb des 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 besteht darin, die Verstärkung für jede Regelungsschleife so auszuwählen, dass die Gesamtsystemstabilität gewährleistet wird. 

Aufgrund der Hochleistungsausrüstung, die für Tests erforderlich ist, bauen Designer häufig eine Rückkopplungsanordnung auf der Werkbank mit zwei PFC-Stufen und einem DAB, um sichere Tests unter kontrollierten Bedingungen zu ermöglichen. Rückkopplungstests sind auch während der Burn-in-Phase in der Massenproduktion anwendbar, bei der Energie von getesteten Geräten zurückgewonnen wird, wodurch erhebliche Herstellungskosten eingespart werden, um die Mission von weltweit niedrigen CO₂-Emissionen zu erreichen.

Hocheffizienter und zuverlässiger IGBT-Treiber

Der NCD57000 von onsemi ist ein einkanaliger Hochstrom-IGBT-Treiber mit interner galvanischer Isolation, der speziell für hohe Systemeffizienz und Zuverlässigkeit in Hochleistungsanwendungen entwickelt wurde. Zu seinen Merkmalen gehören komplementäre Eingänge, Open-Drain-Fehler- und Bereitschaftsausgänge, aktiver Miller-Clamp, negative Gate-Spannung, präzise UVLO, DESAT-Schutz, DESAT-Soft-Turn-Off, Unterstützung für Hochstromausgänge bei IGBT-Miller-Plateau-Spannungen (+4/-6 A), kurze Propagationsverzögerung mit genauer Abgleichung, hohe Transienten- und elektromagnetische Immunität sowie 5 kV galvanische Isolation mit unabhängigen High- und Low-Treiber-Ausgängen (OUTH und OUTL) für eine vereinfachte Systementwicklung. 

Der NCD57000 unterstützt 5V- und 3,3V-Signale auf der Eingangsseite sowie einen breiten Bereich von Vorspannungsspannungen auf der Treiberseite, einschließlich der Fähigkeit zu negativen Spannungen. Er bietet >5 kVrms (UL1577-Bewertung) galvanische Isolation und >1200 Viorm (Betriebsspannung) Funktionalität. Der NCD57000 ist in einem Wide-Body-SOIC-16-Gehäuse mit einem Kriechabstand von 8 mm zwischen Ein- und Ausgang verpackt, um die Anforderungen für verstärkte Sicherheitsisolation zu erfüllen.

Um die Produktentwicklung für Kunden zu beschleunigen, bietet onsemi auch ein Referenz-Design-Kit für den NCD57000 an. Das SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK ist ein 25-kW-Schnellladegerät für Elektrofahrzeuge, das auf SiC-Leistungsintegrationsmodulen basiert. Diese vollständige SiC-Lösung umfasst PFC- und DC-DC-Stufen mit mehreren 1200V, 10 mΩ Halbbrücken-SiC-Modulen NXH010P120MNF1, die durch ultra-niedriges RDS(ON) und minimierte parasitäre Induktivität die Leitungs- und Schaltverluste erheblich reduzieren. Durch die Nutzung einer leistungsfähigen 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 dabei eine dauerhafte Effizienz von 96% für das Laden von 400V- oder 800V-Batterien für Elektrofahrzeuge. 

Das SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK verfügt außerdem über den NCD57000 Hochstromtreiber mit galvanischer Trennung und die SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB Hilfsstromversorgungslösung, die stabile Spannungspegel für Niederspannungskomponenten bereitstellt, Einschaltstromkontrolle, integrierten Überspannungsschutz und mehrere Kommunikationsschnittstellen bietet.

Das SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK unterstützt dreiphasige PFC und DAB für bidirektionale Leistungsumwandlung von 400V/800V-Batterien gemäß den Standards EN55011 Klasse A und IEC 61851. Es integriert SiC-Module NXH010P120MNF1 mit Halbbrücke, 1200V, 10 mOhm SiC M1 MOSFETs sowie isolierte, hochstromfähige und hocheffiziente Gate-Treiber wie den NCD57000.

Fazit

Die DC-Schnellladetechnologie stellt einen bedeutenden Durchbruch im Bereich des Ladens von Elektrofahrzeugen dar und bietet eine bequemere und effizientere Methode, Elektrofahrzeuge aufzuladen. Mit kontinuierlichen Fortschritten und technologischen Anwendungen hat sich das DC-Schnellladen zu einer der Hauptmethoden für das Laden moderner Elektrofahrzeuge entwickelt. Dieser Artikel beleuchtet die Gestaltungstechniken für ein 25-kW-DC-Schnellladegerät sowie die von onsemi eingeführten Lösungen, die darauf abzielen, die Entwicklung von DC-Schnellladeprodukten zu beschleunigen und einen Wettbewerbsvorteil auf dem Markt zu erzielen.