Batterielader: Welche Topologie überzeugt technisch

Mobile Anwendungen auf effiziente Weise mit elektrischer Energie versorgen – dies zählt zu den Herausforderungen moderner Ingenieurskunst. Denn in Privathaushalten, im Baugewerbe und auch in der Industrie sind Geräte kabellos geworden: Küchengeräte, Tools für Haus und Garten, Profiwerkzeuge, aber auch Gabelstapler, Hubwagen und fahrerlose Transportfahrzeuge arbeiten batteriebetrieben. Damit wächst der Bedarf an schnellen, zuverlässigen und robusten Ladegeräten. Lithium-Ionen- und Lithium-Phosphat-Batterien mit Spannungen zwischen 12 und 120 V prägen dabei das Bild neuer Anwendungen.

Batterieladesysteme: Anforderungen und Aufbau

Grundsätzlich gilt: Ladegeräte müssen den Anforderungen und der Betriebsumgebung der jeweiligen Applikation entsprechen. Aber diese divergieren stark. Für tragbare Elektrowerkzeuge etwa müssen Ladegeräte kompakt und leicht sein und ohne Zwangskühlung auskommen –  und auch schnelles Laden muss möglich sein. Diese kleineren, hocheffizienten Ladelösungen brauchen hohe Energiedichten; sie erfordern damit geringe Leistungsverluste sowie kleine Kühlkörper. Bei Industrieanwendungen mit ihren rauen Bedingungen in sowohl Innen- als auch Außenumgebungen kommt es besonders auf Robustheit an. Der Spannungsbereich ist hier ein wichtiges Kriterium, denn sie müssen an Wechselspannungen zwischen 120 und 277 oder sogar 480 V betrieben werden.

Nur mit der für den jeweiligen Einsatzfall geeigneten Topologie und optimierten Komponentenauswahl, etwa an Leistungshalbleitern, können Entwickler das erforderliche Preis-Leistungs-Verhältnis erreichen.

Ein typisches Batterieladesystem beginnt beim Konvertieren von Wechsel- in Gleichspannung, gefolgt von einer präzisen Steuerung der Ladeleistung (Bild 1). Am Frontend wird die Eingangs-Wechselspannung aus dem Netz gefiltert, bevor sie mit einer Schaltung zur Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) in eine Gleichspannung gewandelt wird. Die zweite Stufe des Systems besteht aus einer DC/DC-Wandlung mit Konstantspannungs- beziehungsweise Konstantstromregelung, um die erforderliche Ladeleistung am Ausgang bereitzustellen.

In vielen Designs kommen Mikrocontroller zum Einsatz, damit das Ladegerät unterschiedliche Batterietypen und Ladestrategien – also verschiedene Ströme und Spannungspegel – variabel unterstützen kann.

Bei der PFC setzen Entwickler häufig auf die CCM-Boost-Topologie (Continuous Conduction Mode, Bild 2). Diese vergleichsweise einfache und kostengünstige Lösung integriert EMV-Eingangsfilter, Brückengleichrichter, Boost-Induktivität sowie Boost-FET und -Dioden. Festfrequenz-Mittelwert-Regler wie der NCP1654 oder der NCP1655 von Onsemi vereinfachen die PFC-Implementierung, indem sie den Bedarf an externen Bauteilen reduzieren und Schutzfunktionen wie eine Klemmschaltung für den Eingangsstrom integrieren.

Für höhere Ladeleistungen empfiehlt sich der Einsatz von Siliziumkarbid-Technologie (SiC), insbesondere für Dioden und MOSFETs, aufgrund deren geringer Schaltverluste und hoher Betriebsfrequenzen: etwa mit den PFC-Controllern FAN9672 und FAN9673. Bei Hochleistungsanwendungen zwischen 2 und 6,6 kW sind die Eingangsbrückenverluste deutlich höher; sie lassen sich mit dem Austausch von Dioden durch aktive Schalter, wie Si- oder SiC-MOSFETs, reduzieren.

Topologien wie Semi-Bridgeless-PFC oder Totem-Pole-PFC (TPFC) erübrigen den Brückengleichrichter und verbessern die Effizienz. TPFC-Designs profitieren besonders von SiC- oder GaN-Leistungsschaltern, die mit ihren kurzen Sperrzeiten und hohen Schaltfrequenzen die Effizienz steigern: TPFC (Bild 3) besteht aus einem EMV-Filter, einer Boost-Induktivität, Hochfrequenz- (HF) sowie Niederfrequenz-Halbbrücke (NF), Zweikanal-Gate-Treibern und einem Festfrequenz-TPFC-Controller. Der HF-Zweig des TPFC-Schaltkreises erfordert eine niedrige Sperrverzögerungszeit der im Leistungsschalter integrierten Diode: SiC- und GaN-Schalter sind dafür geeignet.

Onsemi empfiehlt GaN, mit integriertem Gate-Treiber, für Leistungsstufen zwischen 600 W und 1,2 kW sowie SiC-FETs für Anwendungen von 1,5 bis 6,6 kW. Ein IGBT mit integrierter SiC-Diode kann für Anwendungen mit höheren Frequenzen von 20 bis 40 kHz verwendet werden. Der NF-Zweig kann einen Super-Junction-MOSFET mit niedrigem Einschaltwiderstand R_DS(on) oder einen IGBT mit niedriger Sättigungsspannung U_CE(SAT) verwenden. Für höhere Leistungen zwischen 4 und 6,6 kW sollten Entwickler die verschachtelte TPFC-Topologie in Betracht ziehen.

Die 650-V-EliteSiC-MOSFETs von Onsemi bieten mehrere Optionen für den HF-Zweig in TPFC-Designs. Für 3-kW-Anwendungen kann der NTH4L032N65M3S zum Einsatz kommen; bis 6,6 kW der NTH4L015N65M2 und der NTH4L023N065M3S. Für den NF-Zweig ist hingegen der NTHL017N60S5 geeignet.

Für die isolierte DC/DC-Konversion können je nach Leistungsniveau der Anwendung verschiedene Topologien zum Einsatz kommen. Sogenannte Halbbrücken-LLC-Wandler mit sekundärseitigem Synchronbrückengleichrichter (Bild 4) eignen sich für Ladegeräte im Leistungssegment von 600 W bis 3 kW. Entwickler können je nach Leistung GaN-Leistungsschalter – NCP58921, 600 W bis 1 kW – oder SiC-MOSFETs –2 und 3 kW – verwenden.

Für höhere Leistungen zwischen 4 und 6,6 kW sollten sie entweder die Vollbrücken-LLC- (Bild 5) oder die verschachtelte LLC-Topologie in Betracht ziehen.

Onsemi empfiehlt in diesem Zusammenhang die EliteSiC-MOSFETs NTBL032N65M3S und NTBL023N065M3S für die Halbbrücke auf der Primärseite sowie 80- bis 50-V-PowerTrench-MOSFETs für den Synchrongleichrichter auf der Sekundärseite, etwa den NTBL0D8N08X oder den NTBL4D0N15MC.

Anwendungen wie Aufsitzrasenmäher, Gabelstapler und Elektromotorräder können DAB-Ladelösungen (Dual Active Bridge) mit einer Leistung zwischen 6,6 und 11 kW erfordern. DAB (Bild 6) eignet sich für 6 bis 30 kW, und mehrere 6-kW-Ladegeräte lassen sich parallel verwenden, um Anwendungen mit 12 bis 30 kW zu adressieren.

Je nach Applikation können verschiedene DAB-Varianten zum Einsatz kommen. Für industrielle Ladegeräte mit einphasiger Eingangsspannung zwischen 120 und 347 V(AC) eignet sich die einstufige DAB-Topologie (Bild 7), während für Leistungsstufen zwischen 4 und 11 kW eine dreiphasige DAB mit bidirektionalem AC-Schalter im Primär- und einer Vollbrücke im Sekundärkreis erforderlich ist.

Onsemi bietet hier 650- bis 750-V-EliteSiC-MOSFETs und iGaN-HEMTs für bidirektionale Schaltanwendungen an; außerdem die EliteSiC-MOSFETs NTBL032N65M3S und NTBL023N65M3S für primäres bidirektionales Schalten. Die iGaN-Bausteine sind hier ebenfalls geeignet.

Die Entscheidung für eine bestimmte Topologie muss immer die Betriebsbedingungen, Zielspannungen und Ladezeiten berücksichtigen. Während tragbare Elektrogeräte allgemein kurze Ladezeiten bei wenig Platzbedarf fordern, dominieren im industriellen Umfeld Robustheit und Kompatibilität zu hohen Eingangsspannungen. SiC und GaN gewinnen an Bedeutung, da sie besonders geringe Verluste, hohe Effizienz und kompakte Bauformen ermöglichen.

Onsemis Produktspektrum umfasst diskrete Leistungsbauelemente für niedrige, mittlere und hohe Spannungen, darunter Si-basierte Dioden, MOSFETs und IGBTs. SiC-Schaltelemente werden immer beliebter, da sie schnelles Schalten und einen überlegenen verlustarmen Betrieb erlauben – beides zugunsten der Leistungsdichte. (laa)