HV-Module treiben 48-VDC-Versorgungsnetze voran

Im Transportwesen und in Industrieanlagen aller Art werden Maschinen elektrifiziert, die einst mit fossilen Brennstoffen betrieben wurden. Die Treiber sind sowohl ökologischer als auch wirtschaftlicher Natur, da Wind- und Solarenergie immer häufiger als Energiequellen dienen. Wie bei E-Fahrzeugen ersichtlich, ermöglichen Elektromotoren ein hohes Drehmoment und aktuelle Batterietechnologien eine beeindruckende Reichweite.

Eine hohe Gleichspannung ist dabei von Vorteil, um Leistungsverluste in der Verkabelung zwischen Stromquelle und Last zu verringern. Zu den Lasten zählen Linear- und Drehmotoren, Aktuatoren, Sensoren, Prozessoren und Low-Voltage-/LV-Regler am Lastpunkt. High-Voltage-Systeme ermöglichen auch die Übertragung hoher mechanischer Kräfte, sowohl linear als auch für Drehbewegungen. 270 bis 1000 V_DC werden üblicherweise in elektrischen Geräten und Fahrzeugen verwendet. Wichtig ist, dass Gleichspannung ab 120 V als potenziell gefährlich gilt (also nicht SELV – Safety Extra Low Voltage, Schutzkleinspannung) und ordnungsgemäß isoliert werden muss.

DC/DC-Wandler wandeln hohe Spannungen in niedrigere um – mit oder ohne Isolierung, Regelung und Umkehrbetrieb – und das in Elektrofahrzeugen, Datenzentren, Kommunikationssystemen und Industrieanlagen aller Art. Diese Leistungswandler lassen sich mit diskreten Bauelementen oder in modularer Bauweise umsetzen.

Warum ersetzt 48 V zunehmend 12-V_DC-Systeme?

Die vorherrschende 12-V_DC-Spannung des Versorgungsnetzes (PDN; Power Delivery Network) geht nun auf 48 V über, angetrieben durch den deutlich gestiegenen Leistungsbedarf und die Notwendigkeit, SELV aufrechtzuerhalten. Dies hat zur Entwicklung von HV-zu-48-V_DC-Wandlern geführt. Dieser evolutionäre Wandel der PDN-Spannung in Subsystemen wird durch 48-V_DC-Leistungsmodule unterstützt, die Vorteile wie Benutzerfreundlichkeit, Leistungsdichte/-skalierung und geringes Gewicht mit sich bringen. Sie ermöglichen auch einen bidirektionalen Betrieb und regenerative Anwendungen. Dabei wird Energie in die primäre Stromquelle zurückgeführt. Das regenerative Bremsen in Elektrofahrzeugen ist hier ein weit verbreitetes Beispiel.

Zunehmender Einsatz hoher Gleichspannung

Für mobile (kabellose) und tragbare Anwendungen werden häufig Elektrolytbatterien (mit einer wachsenden Vielfalt an chemischen Zusammensetzungen) als HV- und LV-DC-Quellen verwendet, die sich ideal zu diesem Zweck eignen. Die meisten Batterietypen, von Blei-Säure-Akkus bis hin zu den neuesten Natrium-Ionen- und Graphen-Typen sowie aktuelle Superkondensatoren, sind wiederaufladbar und unterstützen somit auch regenerative Energieanwendungen, von denen insgesamt enorme Energieeinsparungen weltweit erwartet werden.

Die üblichen Nennspannungen von Batteriepacks in Elektrofahrzeugen sind 400 und 800 V_DC. Aufgrund der zunehmenden Energiedichte werden 800-V-Batteriepacks in Zukunft dominieren. Mild-Hybrid-Fahrzeuge sind in der Regel mit 48-V_DC-Batterien ausgestattet, wobei einige Hersteller sich für mehrzellige 12-V_DC-Batterien entscheiden. Die Bandbreite der E-Fahrzeuge ist recht groß. Dazu gehören nicht nur Lkw und Pkw, sondern auch industrielle und landwirtschaftliche Fahrzeuge (einschließlich Baufahrzeuge wie Bagger und Traktoren) sowie alle Arten von Freizeitfahrzeugen (Wasserfahrzeuge, Allrad-/Geländewagen, Schneemaschinen, Motorräder usw.). Abgesehen von der Reichweite und der Zeit, die zum Laden von E-Fahrzeugen benötigt wird, bringen diese eine höhere Leistungsfähigkeit für den Endverbraucher mit (Beschleunigung, Drehmoment, Fahrqualität) als Alternativen mit Verbrennungsmotor.

Vorteile von 48-V-Versorgungssystemen

Ein einfaches Ergebnis der physikalischen Gesetze, insbesondere des Ohmschen Gesetzes, ist, dass höhere Verteilerspannungen die gleiche Leistung bei geringerem Strom liefern.

Die Leistungsverluste bei der Stromverteilung (über Kupfer- oder Aluminium-Sammelschienen/-Kabel) sind eine quadratische Funktion des Stroms (P = I²R). Diese ohmschen Verluste können mitunter beträchtlich sein (einige 10 oder 100 W), sie lassen sich aber durch höhere Verteilungsspannungen minimieren. Stromschienen und Kabel werden nach der Strombelastbarkeit (in A) dimensioniert. Eine vierfache Erhöhung der Spannung und eine vierfache Verringerung des Stroms hat erhebliche Auswirkungen auf Größe, Gewicht und Kosten. Um z. B. 200 A Strom zu übertragen, benötigt eine Kupfersammelschiene einen Querschnitt von etwa 0,4 cm², während 800 A eine Querschnittsfläche von etwa 2 cm² erfordern – ein Unterschied um den Faktor fünf.

48-V_DC-Sammelschienen und -Kabel sind also dünner, leichter und damit günstiger als jene, die mit 12-V_DC-Versorgungsnetzen verbunden sind. Kupfer ist ein teures Material, so dass die Kosteneinsparungen im Verhältnis zu den Gesamtsystemkosten erheblich sein können.

Wie funktionieren bidirektionale HV-Module?

Aktuelle 48-V-Leistungsmodule erschließen aufgrund ihrer technischen Möglichkeiten neue Effizienz- und Leistungsniveaus. Eine neue Serie isolierter (4,24 kV), bidirektionaler Buswandler-Leistungsmodule mit festem Übersetzungsverhältnis und integrierter Magnetik unterstützt neue regenerative Batterieanwendungen.

Ein Mitglied dieser Serie, ein Leistungsmodul mit 2,5 kW Dauerausgang, hat einen ratiometrischen K-Faktor (entspricht dem Windungszahlverhältnis eines herkömmlichen Transformators) von 1/16 und ist für die Wandlung von 800 V hinab auf 50 V ausgelegt.

Die Buswandler BCM6135 basieren auf einer SAC-Topologie (Sinus-Amplituden-KonverterTopologie) sowie ZVS- (Nullspannungs-) und VCS-MOSFET-Schaltungen (Nullstrom-Schaltung) (Bild 2). Das Design erzielt einen Spitzenwirkungsgrad von 97,3 Prozent, was zu einer Verlustleistung von 83,7 W (2,7 Prozent × 3,1 kW) führt, die bei einer Spitzenlastleistung (3,1 kW) bei T_CASE von 70 °C thermisch zu bewältigen ist. Die kontinuierliche volumetrische Leistungsdichte ist mit 159 kW/L hoch. Die Modulabmessungen betragen 61,3 mm × 35,4 mm × 7,3 mm; die Modulmasse liegt bei 58 g, was eine kontinuierliche massebezogene Leistungsdichte von 43,1 W/g ergibt.

Die maximale Verlustleistungsdichte des BCM6135 beträgt etwa 0,04 W/mm². Dies entspricht dem Vierfachen der flächenbezogenen Verlustleistungsdichte einer 1500-W-Bratpfanne. Um die Gehäusetemperatur von 70 °C bei Betrieb mit Spitzenleistung aufrechtzuerhalten, werden diese Module in der Regel flüssigkeitsgekühlt. Vicor empfiehlt dabei eine beidseitige Kühlung.

Diese BCM-Serie unterstützt sofortigen bidirektionalen und stationären Betrieb. Darüber hinaus dient der BCM6135 als Kapazitätsmultiplikator, der die Kapazität des HV-Busses (HI) auf den LV-Bus (LO) mit dem Quadrat des K-Faktors skaliert (16² = 256). Diese Eigenschaft spart Kosten, Gewicht und Platz für die Bypass- oder Bulk-Kondensatoren, die andernfalls auf dem LV-Bus erforderlich wären.

Darüber hinaus ermöglicht die Schaltfrequenz von 1,25 MHz und der nahezu 100-Prozent-ZVS-Tastgrad der Module eine sehr schnelles Lastsprungverhalten (ca. 8 Mio. A/s oder 8 A/ms). Mit dieser Bandbreite kann das Modul Zusatzbatterien und Superkondensatoren ersetzen, die sonst zur Unterstützung der transienten Lastsprünge in anspruchsvollen Anwendungen erforderlich wären, z. B. in Hochleistungsrechnern und E-Fahrzeugen (Bild 3).

Ein Vorteil dieses schnellen Einschwingverhaltens ist die niedrige Ausgangsimpedanz des Buswandlers. Wird die Spannung über der gesamten verteilten Ausgangskapazität (sowohl intern als auch in Ausausgangsschaltungen) kontinuierlich und schnell aktualisiert (bei einer MOSFET-Schaltfrequenz von 1,3 MHz), ist der Strombedarf zum Aufrechterhalten der vollständigen Ausgangskapazität gering. Dies ergibt sich aus:

i = C × (dV/dt)

Darin ist dV/dt (die Änderung der Spannung über dem Kondensator in Bezug auf die Zeit) klein, da die kapazitiv gespeicherte Ladung nur wenig Zeit (<1 μs) hat, um von Schaltzyklus zu Schaltzyklus abzufallen, d. h. die Last zu versorgen. Daher ist nur wenig Strom nötig, um die verteilte Ausgangskapazität wieder aufzuladen, und die Spannung an dieser Kapazität fällt nicht wesentlich ab. Formal ausgedrückt: Mit steigender MOSFET-Schaltfrequenz sinkt der kapazitive Blindwiderstand (Reaktanz) und die Gesamtausgangsimpedanz. Daher sorgt der BCM6135 im Vergleich zu herkömmlichen Batterien mit niedriger Ausgangsimpedanz und Superkondensatoren für Kosteneinsparungen (unter Berücksichtigung von Größe und Gewicht).

Welche Anforderungen erfüllt die BCM-Serie?

Der Eingangsspannungsbereich der BCM-Serie 520 bis 920 V unterstützt zahlreiche DC-Verteilungsstandards und ist eines der Leistungsmerkmale der BCM-eigenen Schaltungstopologie. Seine Bedeutung für E-Fahrzeuge wird durch die Empfehlung des Verbands der Automobilindustrie (VDA) veranschaulicht: „VDA 320: Elektrische und elektronische Komponenten im 48-V-Fahrzeug-Bordnetz – Anforderungen und Prüfungen“ (Version 20.01.2025). Die auch LV 148 genannte Version wurde von den Fahrzeugherstellern Audi, BMW, Daimler, Porsche und VW als gemeinsamer OEM-Standard für Komponenten mit 48-V_DC- Spannungsbereich entwickelt. Der Leitfaden empfiehlt, dass die Batterie einen unbegrenzten Spannungsbetriebsbereich zwischen 36 und 52 V, begrenzte Betriebsmodi zwischen 20 und 60 V sowie eine dynamische Überspannung bis 70 V abdeckt (Bild 4).

Mechanische Eigenschaften der ChiP-Module

Die flachen BCM-Module (7,3 mm) sind umspritzt und galvanisch beschichtet. Die internen aktiven Bauelemente befinden sich so in unmittelbarer Nähe des Kühlkörpers oder der Kühlplatte, was die thermische Flexibilität verbessert. Die für Vicors ChiP-Gehäuse verwendete Vergussmasse ist dielektrisch und verbessert die Spannungsfestigkeit. Hinzu kommt ein hohes Elastizitätsmodul, das die Chassis-, SMD- und Land-Grid-Array-/LGA-Montage unterstützt. Die galvanisierte Oberfläche bildet eine Faradaysche Abschirmung und reduziert elektromagnetische Abstrahlung. Die vergoldete Oberfläche ist elektrisch und thermisch leitfähig sowie oxidationsbeständig.

Das dreidimensional verschaltete (3DI) ChiP-Gehäuse ermöglicht einen niedrigen Wärmewiderstand und eine flache (koplanare) Wärmeschnittstelle zu Kühlkörpern/-platten. Einige Vicor-Module verfügen über 3DI-Zinnen (Castellations), die optimale Lötbarkeit für die SMD-Montage bieten.

48 V ersetzt 12 V

Die wirtschaftlichen Vorteile und die Lebensqualität durch Elektrifizierung treiben den Übergang der DC/DC-Wandlung von hohen Spannungen (HV) auf 48 V in allen Bereichen weltweit voran.

Mit integrierten HV-zu-48-V-Leistungsmodulen lassen sich die Anforderungen an moderne Stromversorgungssysteme effizienter erfüllen. Leistungsmodule mit festem Übersetzungsverhältnis bieten dabei Vorteile, die über die traditionellen diskreten DC/DC-Wandler hinausgehen.

Aktuelle bidirektionale Buswandlermodule mit fester Übersetzung erfüllen die hohen elektrischen und thermischen Anforderungen von Anwendungen mit transienter Rückeinspeisung, wie aktive Federung in E-Fahrzeugen. Darüber hinaus sind sie aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte und einfachen Skalierbarkeit deutlich vielseitiger und lassen sich an verschiedene Stromversorgungsanforderungen in der Industrie anpassen. Da sich die Leistungselektronik immer mehr auf 48-V-Versorgungsnetze konzentriert, werden die Leistungsmodule von Vicor zum DC/DC-Wandler der Wahl. (bs)