Matrixwandler in 11-kW-Bordladegeräten aktueller E-Fahrzeuge

Verbraucher erwarten schnelleres, bequemeres und zuverlässigeres Laden von Elektrofahrzeugen (EV). Gleichzeitig müssen OEMs On-Board-Ladegeräte (OBC) entwickeln, die ein breites Leistungsspektrum abdecken (von Mittelklassemodellen mit 11 kW bis hin zu Highend-Fahrzeugen mit 22 kW) und verschiedene regionale Wechselstrom-/AC-Standards unterstützen. Dafür müssen die Herausforderungen bei der Leistungswandlung bekannt sein, u. a. die Wahl der Topologie, der Wirkungsgrad, das Wärmemanagement, elektromagnetische Störungen (EMI) und die Dimensionierung der Komponenten.

Herkömmliche mehrstufige OBC arbeiten unter diesen Bedingungen effektiv und liefern zuverlässig Strom, während sie die gesetzlichen und betrieblichen Anforderungen erfüllen. Fortschritte bei Leistungswandlung, Halbleitertechnologien und Systemintegration bieten OEMs die Möglichkeiten zur weiteren Optimierung ihrer Designs – etwas, das Onsemi mit seiner neuesten Matrix-DAB-OBC-Demo untersucht.

Technische Überlegungen zum OBC

Herkömmliche On-Board-Ladegeräte basieren auf mehrstufigen Leistungswandlungsarchitekturen, die meist eine Totem-Pole-Stufe zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit einem LLC-Resonanz-DC/DC-Wandler kombinieren. Diese Architekturen sind etabliert und liefern zuverlässig einen geregelten DC-Ausgang über einen weiten Bereich von Eingangsspannungen und Phasen. Sie weisen aber Einschränkungen auf, die Entwickler bei der Optimierung von Designs hinsichtlich Effizienz, Herstellbarkeit und Fahrzeugintegration berücksichtigen müssen.

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Die größte Herausforderung liegt in der komplexen Topologie. Mehrstufige Designs umfassen mehrere aktive Stufen, schnelle Gate-Treiberschaltungen und koordinierte Regelkreise zur Steuerung der PFC- und DC/DC-Stufen. Die PFC-Stufe erfordert eine netzseitige Drossel, die für den Spitzenwechselstrom und die Einhaltung der Leistungsfaktorvorgaben (cos φ) ausgelegt ist. CL- oder LCL-EMI-Filter sind erforderlich, um hochfrequentes Schaltrauschen zu unterdrücken. Zusammen bilden diese Komponenten eines der größten und technisch anspruchsvollsten Subsysteme in einem OBC, was den Entwicklungsaufwand und die Layout-Vorgaben erhöht.

Die Kosten sind ein weiterer entscheidender Faktor für OEMs. Die Abhängigkeit von hochwertigen passiven Bauelementen, darunter Magnetik und große Elektrolyt- oder Folienkondensatoren, trägt erheblich zu den Materialkosten (BoM) bei. Darüber hinaus erfordern die kumulativen Leitungs- und Schaltverluste über mehrere Stufen hinweg häufig Halbleiter mit höherer Nennleistung und ein verbessertes Wärmemanagement, was sich zusätzlich auf die Systemkosten auswirkt.

Größe und Gewicht werden durch die mehrstufige Architektur in ähnlicher Weise eingeschränkt, da Netzdrosseln, EMI-Filter und große Ausgangskondensatoren ein erhebliches Volumen und Gewicht einnehmen. Dies begrenzt die erreichbare Leistungsdichte und erschwert die Fahrzeugkonstruktion/-integration. Zusammen verdeutlichen diese Einschränkungen die Kompromisse, die mit herkömmlichen OBCs einhergehen. Mehrstufige Architekturen liefern zwar zuverlässig geregelte Leistung, sind jedoch komplex, kostspielig und voluminös. Dies kann sich bei der Weiterentwicklung von E-Fahrzeugen – um die wachsenden Kundenerwartungen zu erfüllen – zunehmend als limitierender Faktor erweisen.

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Demo-Ansatz: 11-kW-Matrixwandler

Um Entwicklern zu helfen, diese OBC-Einschränkungen zu bewältigen, hat Onsemi einen 11-kW-Matrixwandler speziell für EV-Anwendungen entwickelt. Er ist das Ergebnis laufender Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, Matrix-DAB-OBC-Topologien zu untersuchen und Leistungsverbesserungen im Laufe der Entwicklung zu bewerten.

Das Design basiert auf einer Matrix-DAB-Topologie (Dual Active Bridge) in Kombination mit fortschrittlichen Steuerungsalgorithmen für schnelle Berechnungen und präzises Schalten. Es unterstützt 11kW-/3-Phasen- als auch 11kW-/1-Phasen-AC-Laden mit Ausgangsspannungen von 280 bis 450 V_DC bei einer maximalen Leistung von 11 kW. Tabelle 1 fasst die Eingangsbedingungen und die erzielten Spitzenwirkungsgrade zusammen.

Die 1-Phasen-Kompatibilität unterstützt den NACS (North American Charging Standard), der einen zweipoligen Stecker für AC- und DC-Laden verwendet. Dadurch kann ein einziger OBC pro Fahrzeugmodell mehrere Lademodi unterstützen, wodurch der Bedarf an separaten regionalen Varianten reduziert und die Fertigung vereinfacht wird.

Neudefinition des Leistungsstufendesigns: Matrix-DAB und aktive Filterung

Im Zentrum des Designs steht die Matrix-DAB-Topologie, die den niederfrequenten AC-Eingang ohne Zwischenkreis direkt in einen hochfrequenten AC-Ausgang wandelt. Damit erübrigt sich die mehrstufige PFC- und DC/DC-Wandlerkette. Bidirektionale SiC-MOSFET-Schalter ermöglichen eine direkte AC/AC-Wandlung und unterstützen den bidirektionalen Betrieb. Der Ausgang verfügt über einen intelligenten Kondensatorfilter. Im Gegensatz zu herkömmlichen passiven Ausgangsfiltern, die beim Betrieb an einer einzigen AC-Phase in DC auftretende Schwankungen mit großen Kondensatoren glätten, verwendet dieses Design einen aktiven Filteransatz. Der intelligente Kondensator ist über zwei Schalter und eine Induktivität angeschlossen.

Ähnlich der aktiven Störunterdrückung erfasst er den Zustand der Batterie und glättet den Ausgangsstrom. Herkömmliche passive Ausgangsfilter nutzen nur einen kleinen Teil der in ihrer Kapazität gespeicherten Energie. Das Konzept des Smart-Kondensators hingegen ermöglicht eine effektivere Nutzung der gespeicherten Energie und reduziert die erforderliche Gesamtkapazität. Dies verkleinert das Volumen des Ausgangskondensators und verbessert die Gesamteffizienz und Leistungsdichte.

Leistungshalbleiter: SiC-MOSFETs und fortschrittliche Gate-Treiber

Der OBC basiert auf den 23mΩ/650V-SiC-MOSFETs NVBG023N065M3S, die aufgrund ihrer Kompatibilität mit Soft-Switching-Topologien und ihrer hervorragenden Leitungs-und Schalteigenschaften ausgewählt wurden. Die planare M3S-Struktur gewährleistet einen stabilen, driftfreien RDS(ON), UGS(TH) und einen stabilen Spannungsabfall der Body-Diode über die gesamte Lebensdauer des Bauelements sowie einen zuverlässigen Betrieb unter negativer Gate-Ansteuerung. Die empfohlene Gate-Spannung für den eingeschalteten Zustand beträgt 18 V.

Um die Vorteile von SiC-MOSFETs voll auszuschöpfen, müssen galvanisch getrennte Gate-Treiber für diese Technologie optimiert werden, einschließlich schneller Schaltfähigkeit und robustem Schutz. SiC-MOSFETs sind anfällig für parasitäres Einschalten aufgrund der Miller-Kapazität CDG, die während Schaltvorgängen die Drain-Spannung mit dem Gate koppelt. Dies kann während der Ausschaltphase des MOSFET aufgrund des sehr hohen di/dt auftreten und zu Shoot-Through-Strömen und Geräteausfällen führen, wenn während des parasitären Einschaltens ein direkter Kurzschluss von der Hochvoltschiene zur Masse auftritt.

Durch Ansteuern von UGS unter 0 V (bis zu -3 oder -5 V) minimiert der Treiber NCV51152 von Onsemi das Risiko von Shoot-Through-Strömen. Die Evaluierungsboards der Serie NCV51152D2PAK7LGEVB unterstützen Entwickler bei der Evaluierung des isolierten Gate-Treibers mit Standard-SiC-MOSFET-Gehäusen wie TO-247-4L und D2PAK-7L.

Effizienz- und Kostenvorteile der Matrixwandler-Topologie

Einer der überzeugendsten Vorteile des Matrixwandlers ist der deutlich kleinere und leichtere netzseitige Filter. Herkömmliche mehrstufige OBC-Designs erfordern einen CL-EMI-Filter und eine sperrige PFC-Drossel, die zusammen einen LCL-Filter bilden. Die PFC-Drossel ist aufgrund der erforderlichen maximalen Nennstromstärke auf der Netzseite besonders sperrig und hat zusätzlich eine erhebliche Impedanz, da ihr Eingang der PWM-Halbbrückenausgang der PFC-Stufe ist.

Im Gegensatz dazu liefert der Matrixwandler als AC/AC-Topologie von Natur aus Strom, der bereits durch die Streuinduktivität des Matrixwandlers (L_σ ) geglättet ist. Dessen Impedanz leitet sich aus der Schaltfrequenz (und nicht wie bei einem herkömmlichen PFC aus der Netzfrequenz) ab. Die für den Matrixwandler erforderliche magnetische Komponente ist daher deutlich kleiner, leichter und kostengünstiger als diejenige, die für den herkömmlichen mehrstufigen Ansatz erforderlich ist. Entwickler können so eine der größten, schwersten und teuersten Komponenten im Eingangsfilter entfernen. Damit nimmt die Eingangsfilterstufe in diesem Demo-Design nur etwa 20 Prozent des Volumens ein, das typische netzseitige Filter in herkömmlichen OBC-Topologien einnehmen – und erfüllt dennoch die Anforderungen an EMI-Konformität und Netzschutz.

Die intelligente Kondensatorstufe am Ausgang reduziert die Welligkeit, vergleichbar mit herkömmlichen passiven Filtern, jedoch mit deutlich geringerem Volumen. Der intelligente Kondensator besteht aus zwei Kondensatoren, zwei SiC-MOSFETs und einer Induktivität. Das Demo-Design führt zwar zusätzliche Halbleiter-Schaltkomponenten ein, reduziert jedoch die Größe und Anzahl der passiven Bauelemente drastisch und ermöglicht eine Reduzierung des Volumens des Ausgangsfilters um bis zu 60 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Filtern.

SiC treibt Onboard-Laden bei steigenden Spannungspegeln voran

Da es nur eine begrenzte Anzahl von Hochleistungs-Ladestationen für EVs gibt, verlässt sich ein beträchtlicher Teil der E-Fahrzeugbesitzer auf ihre Onboard-Ladegeräte (OBC). Um deren Leistungsfähigkeit zu verbessern, setzen die OEMs auf SiC.

Das Potenzial dieses OBC geht über die kleinere Baugröße und die höhere Leistungsdichte hinaus – es bietet auch erhebliche Kosteneinsparungen. Onsemi hat sein vorgeschlagenes Design mit bestehenden Branchenlösungen verglichen und festgestellt, dass sich die Gesamtkosten für Halbleiter und passive Bauelemente in der Stückliste um etwa 20 Prozent verringern. Damit ist das Design nicht nur technisch fortschrittlich, sondern auch kommerziell attraktiv für OEMs und Tier-1-Zulieferer.

Verbesserte Steuerung für Matrix-DAB-OBC

Die größte Herausforderung bei der Implementierung der Matrix-DAB-Topologie für EV-OBC liegt in der Steuerung des Wandlers. Matrixwandler erfordern komplexe Algorithmen und hohe Rechengeschwindigkeiten, die MCUs der vorherigen Generation nicht bieten konnten. Modere MCUs und FPGAs hingegen erfüllen diese Anforderungen. Eine wichtige Neuerung in diesem Design ist eine Open-Loop-Regelung für die DAB-Modulation, was hochfrequente Transformator-Messungen erübrigt. Der Regler nutzt niederfrequente Phasenstrom- und Netzspannungsmessungen und überwacht den DC-Ausgang sowie die Eigenschaften des intelligenten Kondensators, um den Regelkreis zu schließen. 

Fehlerströme überwachen in der Wallbox und im E-Fahrzeug

Die Infrastruktur für Elektrofahrzeuge entwickelt sich weiter, bidirektionales Laden und V2X-Anwendungen stellen Entwickler vor neue Aufgaben. Dabei spielt die Überwachung der Fehlerströme eine wichtige Rolle – hier sind Typ-B-Komponenten gefragt.

Die Weiterentwicklung dieses Designs befindet sich derzeit in der abschließenden Validierungsphase. Während die erste Version die Machbarkeit und den unabhängigen Betrieb des matrixwandlerbasierten OBC erfolgreich demonstrierte, weist die Version 2 bereits mehrere praktische Verbesserungen auf. Dazu zählen ein optimiertes Transformator- und PCB-Layout sowie eine optimierte Bauteilplatzierung, was die Leistungsdichte erhöht und einen Spitzenwirkungsgrad von 97,2 Prozent erzielt. Möglich wird dies durch die Kombination mehrerer Designverbesserungen, die den Wirkungsgrad steigern, sowie durch den Einsatz von 650V-M3S-SiC-MOSFETs in Top-Cool-Gehäusen.

Fazit

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt demonstriert einen praktischen Ansatz auf Systemebene, um reale Herausforderungen bei der Elektrifizierung von Fahrzeugen zu bewältigen. Durch die Kombination von Know-how im Bereich Leistungshalbleiter mit einer durchdachten Systemintegration erreicht das Design eine höhere Leistungsdichte, geringe Materialkosten und ist kompatibel mit mehreren regionalen Standards.  

Über diese technischen Vorteile hinaus bietet der Matrixwandler OEMs nun einen konkreten Grund, ihre bestehenden OBC-Designs zu überdenken und diesen innovativen Ansatz in Betracht zu ziehen. (na)