Leistungsumwandlung für E-Autos mit deutlich verbesserter Effizienz

Es gibt verschiedene Arten von E-Fahrzeugen, darunter BEVs (Battery Electric Vehicle), HEVs (Hybrid Electric Vehicle), PHEVs (Plugin Hybrid Vehicle) und Serien-HEVs. Die Bausteine der Stromversorgungsarchitektur (Ladegerät OBC, Batterie, Wechselrichter, Motor) sind für jeden Fahrzeug-Typ unterschiedlich. Bei einem BEV, das bidirektional ist und schnell aufgeladen werden kann, wird beispielsweise angenommen, dass der OBC V2G (Vehicle To Grid) ist und aus einem bidirektionalen Totem-Pole-PFC und einem bidirektionalen CLLC besteht. Die Leistung des OBC wird dann für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet. Vom Ausgang des OBC wird die Spannung des DC-DC-Wandlers für die Zusatzgeräte, der Batterie und die Wechselrichterspannung erzeugt.

Der Erfolg der E-Fahrzeuge ist abhängig von der Energieeffizienz bei der Stromumwandlung, da eine höhere Energieeffizienz direkt zu einer Verbesserung der Leistung und der Stromkosten führt.

Der Schlüssel zur Lösung dieser Herausforderung ist die Entwicklung eines leistungsfähigen Halbleiter-Schalters, der bei hohen Frequenzen arbeiten kann und eine hohe Belastbarkeit aufweist. Um dieses Problem zu lösen, werden mittlerweile immer häufiger SiC-Leistungsbauelemente aufgrund ihrer höheren Schaltfrequenzen, höheren Durchbruchspannungen und höherer Effizienz bei der Leistungsumwandlung eingesetzt.

Hier ein Beispiel dafür, wie SiC-Leistungsbauelemente zu einer höheren Effizienz von Elektrofahrzeugen beitragen werden: ROHM Semiconductor, ein Hersteller von integrierten Halbleitern, erläutert in einem Anwendungsbericht, wie SiC-Leistungsbauelemente zur Effizienzsteigerung von Elektrofahrzeugen beitragen werden. In der Application Note verwendet ROHM die SiC-MOSFETs der 4. Generation des Unternehmens.

Die in der vorherigen Generation der SiC-MOSFETs etablierte Trench-Gate-Struktur wurde weiterentwickelt. Die neuen SiC-MOSFETs erreichen im Vergleich zur vorherigen Generation einen um etwa 40 Prozent reduzierten On-Widerstand ohne Beeinträchtigung der Kurzschlusstoleranz.

Der Leistungswandler des Elektrofahrzeugs besteht aus OBC, DC/DC-Trennung für Zusatzgeräte, DC/DC-Aufwärtswandler und Traktionswechselrichtern. Traktionsumrichter wandeln Gleichstrom aus Batterien in Wechselstrom um, um Motoren anzutreiben. Sie sind unverzichtbare Energiequellen für Elektrofahrzeuge.

ROHM simulierte den Kraftstoffverbrauch von Personenkraftwagen gemäß WTLC der Kraftstoffverbrauchstestmethoden unter Verwendung eines Testsystems (Motorprüfstand-Testumgebung) in Elektrofahrzeugen. Die Grafik (siehe oben) zeigt die Vergleichskosten des SiC-MOSFET und IGBT der 4. Generation, die in EV-Wechselrichtern der C-Segment-Klasse verwendet werden. Es zeigt sich, dass der Ersatz des IGBT durch einen SiC-MOSFET der 4. Generation die Gesamtstromkosten in der Vollgeschwindigkeitsphase des WLTC-Fahrzyklus um etwa 6 Prozent und im Stadtmodus um etwa 10 Prozent senkt.

Wie der Traktionswechselrichter ist auch der OBC einer der Bausteine der EV-Stromversorgungsarchitektur. Der OBC ist ein System zum Laden der Batterie mit Wechselstrom, der von privaten und öffentlichen Quellen bereitgestellt wird. Der bidirektionale Totem-Pol-PFC, aus dem der OBC besteht, kann als PFC-Wandler einen hohen Wirkungsgrad erzielen. In einer von ROHM durchgeführten Evaluierung eines Totem-Pol-Kraft-Wandlers mit SiC-MOSFETs der 4. Generation wurde bei einer Halblast von 1,5 kW ein Wirkungsgrad von mehr als 98 Prozent und bei einer Volllast von 3 kW ein Wirkungsgrad von mehr als 97,6 Prozent erreicht.

Viele Unternehmen richten ihr Augenmerk auf SiC-Leistungsbauelemente, da diese einen wesentlichen Beitrag zur Steigerung der Effizienz der Leistungsumwandlung in Traktionswechselrichtern und OBCs leisten, die für Elektrofahrzeuge unerlässlich sind:

Vitesco Technologies, ein international führender Entwickler und Hersteller moderner Antriebstechnologien für nachhaltige Mobilität, hat sich durch eine langfristige Partnerschaft mit ROHM strategisch bedeutsame Kapazitäten bei energieeffizienten Leistungshalbleitern aus Siliziumkarbid gesichert – im Wert von über einer Milliarde US-Dollar bis zum Jahr 2030. Semikron Danfoss, ein weltweiter Technologieführer im Bereich der Leistungselektronik, arbeitet seit mehr als 10 Jahren mit ROHM bei der Entwicklung von Leistungsmodulen auf SiC-Basis zusammen. Vor kurzem hat Semikron Danfoss sein Angebot an Low-Power-Modulen um den neuen 1200V RGA IGBT von ROHM erweitert. Damit zeigen beide Unternehmen, dass sie sich weiterhin für die Belange der weltweiten Antriebshersteller einsetzen.

Diese Partnerschaften werden die Einführung von SiC-Leistungsbauelementen in Zukunft weiter beschleunigen. ROHM erwartet dass SiC-Leistungsbauelemente die Effizienz der Leistungsumwandlung nicht nur in Elektrofahrzeugen, sondern auch in vielen anderen Anwendungen weltweit verbessern werden.