Die Batterien von E-Autos können im Rahmen von Vehicle-to-Grid als Puffer für das Energienetz dienen.

Die Batterien von E-Autos können im Rahmen von Vehicle-to-Grid als Puffer für das Energienetz dienen. (Bild: AdobeStock 44662907, Petair)

Während die Verbesserungen bei Silizium-basierten Leistungselektronik-ICs schrittweise erfolgten, ermöglicht die Einführung von WBG-Halbleitern (Wide Bandgap: Bauelemente mit hohem Bandabstand) wie z. B. Siliziumkarbid (SiC) größere Schritte, denn die Verlustleistung bei Leistungswandlern lässt sich mit WBG-Halbleitern direkt um einige Prozentpunkte senken. SiC-MOSFETs bieten im Vergleich zu Si-IGBTs erheblich geringere Schaltverluste. Durch ihre hohe Drain-Source-Spannung verdrängen sie zunehmend die IGBTs bei der PFC (Korrektur des Leistungsfaktors) und in Hochspannungs-DC/DC-Leistungswandlern. Die integrierte SiC-basierte Diode unterstützt dabei hohe Impulsströme, was SiC-MOSFETs in ihrer Gesamtheit zu einem robusten Bauelement innerhalb des Designs macht.

Hohe Schaltgeschwindigkeit

Die vielleicht wünschenswerteste Eigenschaft von SiC-MOSFETs ist die im Vergleich zu IGBTs hohe Schaltgeschwindigkeit. Dadurch verringern sich nicht nur die Ein- und Ausschaltverluste; vielmehr sind auch höhere Schaltfrequenzen möglich. Dies erlaubt wiederum die Verwendung kleinerer Induktivitäten und damit die Entwicklung kleinerer und kompakterer Designs bei gleicher Ausgangsleistung im Vergleich zu IGBT-basierten Wandlern. Unter den gleichen Bedingungen weist zum Beispiel der SiC-MOSFET TW070J120B von Toshiba einen Einschaltverlust von nur 0,6 mJ auf, während ein ähnlich spezifizierter IGBT zum Einschalten 2,5 mJ benötigt (Bild 1).

SIC-MOSFET TW070J120B
Bild 1: Im Vergleich zu IGBTs der neuesten Generation weist der SiC-MOSFET TW070J120B deutlich höhere Schaltgeschwindigkeiten auf, wodurch die Wirkungsgrade in Leistungswandlern steigen. (Bild: Toshiba)

Was sind Bidirektionale DAB DC/DC-Wandler?

Isolierende bidirektionale DAB-DC/DC-Wandler (DAB: Dual-Active-Bridge) ermöglichen es auf der einen Seite, die durch PFCs gleichgerichtete Netzspannung in für Batterien benötigte Gleichspannungen umzuwandeln. Auf der anderen Seite kann die in Batterien gespeicherte Energie nach Abschluss des Ladevorgangs zur Stabilisierung des Netzes dienen. Bei Elektrofahrzeugen besteht ein Interesse an einer V2G-Fähigkeit, die es Fahrzeugen ermöglicht, Energie bereitzustellen und das Netz bei Bedarf lokal zu stabilisieren. Auch Anlagen für erneuerbare Energien nutzen diese Möglichkeit, indem sie bei guten Wetterbedingungen erzeugte Energie speichern und bei Bedarf wieder ins Netz rückspeisen. Damit lässt sich die Zahl fossiler Energiequellen wie Dieselgeneratoren minimieren oder gar komplett abschaffen.

Bei solchen Lösungen ist ein hoher Wirkungsgrad ein absolutes Muss. Der Ansatz, zwei separate antiparallel verschaltete Wandler zu nutzen, die jeweils auf die unidirektionalen Anforderungen der Anwendung zugeschnitten sind, führt jedoch zu einer sperrigen Lösung mit einer hohen Anzahl an Bauelementen. Um eine höhere Leistungsdichte zu erzielen, nutzen Entwickler den DAB-Aufbau in Bild 2. Dieser ermöglicht den bidirektionalen Betrieb, Zero-Voltage-Switching (ZVS), eine geringere Anzahl an Bauelementen sowie einen hohen Wirkungsgrad und bietet gleichzeitig eine galvanische Trennung (oft eine wichtige Anforderung) bei attraktiveren Gesamtsystemkosten.

Die Rolle bidirektionaler DC/DC-Wandler in Photovoltaik-Anwendungen
Bild 2a: Die Rolle bidirektionaler DC/DC-Wandler in Photovoltaik-Anwendungen. Bild 2b (unten) zeigt dann analog hierzu die Anwendung beim Laden in E-Fahrzeugen. (Bild: Toshiba)
Die Rolle bidirektionaler DC/DC-Wandler in Photovoltaik-Anwendungen
Bild 2b: Die Rolle bidirektionaler DC/DC-Wandler beim Laden von Elektrofahrzeugen. Analog hierzu zeigt Bild 2a (oben) dann deren analoge Anwendung im Bereich Photovoltaik. (Bild: Toshiba)

Der DAB-Aufbau besteht aus zwei Vollbrücken, die über eine Induktivität und einen Leistungstransformator verbunden sind (Bild 3). Die Primär- und Sekundärwicklung des Transformators legen das Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Seiten fest. Die Vorschaltdrossel ist nicht zwingend erforderlich. In einigen Fällen kann der Transformator beide Rollen erfüllen, aber dies geht meist mit höheren Verlusten und einem geringeren Wirkungsgrad einher. Beide Seiten werden über komplementäre PWM-Steuersignale angesteuert, wobei die Änderung der Phase des an die beiden Seiten angelegten Signals die Richtung der Energieübertragung definiert. Die mit dem Hochspannungszwischenkreis verbundene Seite ist für die Verwendung von SiC-MOSFETs prädestiniert. Sie halten den hohen angelegten Spannungen stand und unterstützen gleichzeitig die verwendeten hohen Schaltfrequenzen. Durch Zero-Voltage-Switching (ZVS) wird die Verlustleistung der Hochspannungs-SiC-MOSFETs beim Anschalten reduziert.

Referenzdesign für bidirektionale DC/DC-Wandler

Diesen Ansatz verfolgt nun das neue bidirektionale DC/DC-Wandler-Referenzdesign (RD167) von Toshiba. Das Netzteil unterstützt High-Side-Spannungen von 750 VDC und gibt 400 VDC mit 5 kW Leistung bei einem Wirkungsgrad von 97 Prozent in beide Richtungen (100 Prozent Aufwärtslast) und einer Schaltfrequenz von 50 kHz aus. Das Design basiert auf dem 1200-V-SiC-MOSFET TW070J120B anstelle von IGBTs, um die geringen Schaltverluste und den niedrigen RDS(ON) des SiC-Bauelements von 70 mΩ zu nutzen. Der Gate-Schwellenwert (Uth) liegt zwischen 4,2 und 5,8 V, was zu einem robusten Design führt, da es weniger anfällig für Störspannungs-Einkopplungen auf das Gate ist.

Bidirektionale DAB-DC/DC-Wandler
Bild 3: Bidirektionale DAB-DC/DC-Wandler auf Basis des SiC-MOSFETs TW070J120B und des Si-Superjunction-MOSFETs TK49N65W5. (Bild: Toshiba)

Auf der Niederspannungsseite nutzt das Design den 650-V-n-Kanal-Si-MOSFET TK49N65W5. Seine parasitäre Highspeed-Diode trägt zusammen mit dem DTMOS-Superjunction-Aufbau, den geringen Schaltverlusten und der schnellen Sperrverzögerungszeit trr von typisch 145 ns zu einem hohen Wirkungsgrad des Gesamtsystems bei. Mit einem niedrigen typischen Durchlasswiderstand von 0,051 Ω unterstützt der Baustein Drain-Gleichströme (ID) von 49,2 A und Drain-Impulsströme (IDP) von 192 A.

Um sowohl für den SiC- als auch für den Si-MOSFET eine optimale Gate-Steuerung zu gewährleisten, kommt der Gate-Treiber TLP5214A zum Einsatz. Seine Sink- und Source-Fähigkeit von 4 A sorgt bei den verwendeten Schaltfrequenzen von 50kHz für ausreichende Lade- und Entladeströme der Gates. Durch seinen Überstromschutz und seine Unterspannungssperre schützt er zusätzlich das Design im Fehlerfall.

Fazit

Unabhängig davon, ob mehr Leistung oder höhere Leistungsdichten gefragt sind werden IGBTs zunehmend gegen WBG-Alternativen ausgetauscht. Bei hohen Spannungen bieten SiC-MOSFETs die Möglichkeit, Leistungswandler effizienter zu designen. Der Grund hierfür sind die geringen Schaltverluste sowie die sich dadurch ergebende Möglichkeit, höhere Schaltfrequenzen zu nutzen. Im Bereich um 650 V verdrängen Superjunction-Si-MOSFETs mit geringen Sperrverzögerungszeiten, niedrigem Durchlasswiderstand und hohen Schaltfrequenzen auch die IGBTs. Referenzdesigns wie der bidirektionale DC/DC-Wandler von Toshiba ermöglichen das schnelle Evaluieren geeigneter Designansätze und Schaltkreise, um sich mit den Feinheiten beim Einsatz von SiC-MOSFETs vertraut zu machen.

Der Autor: Alfred Vollmer

Alfred Vollmer
(Bild: Hüthig)

Alfred Vollmer interessiert sich nicht nur für Technik per se in vielen Facetten und Einzelheiten sondern auch dafür, wie sich diese Technik im wirtschaftlich-gesellschaftlichen Rahmen sinnvoll anwenden, umsetzen und nutzen lässt. Der Dipl.-Ing. hat bereits während des Studiums der Elektrotechnik sein Fable fürs Schreiben entdeckt und ist mit über 30 Jahren Branchenerfahrung ein bestens vernetztes Urgestein der europäischen (Automobil-)Elektronik-Fachpresse. Er fragt gerne detailliert nach und lässt dabei auch die ökologischen Aspekte nicht aus. Mit vielen seiner (Elektrotechnik-)Prognosen lag er richtig, aber manchmal sorgten auch sehr spezifische Marktmechanismen dafür, dass es ganz anders kam…

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