Effizienzoptimierung für Schaltstromversorgungen mit einem Multi-Technologie-Ansatz

Aufgrund ihrer Effizienz und Robustheit eignen sich Schaltstromversorgungen (switch-mode power supplies, SMPSs) für Anwendungen wie die Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, Solarwechselrichter und industrielle Motorantriebe. Der Bedarf an höheren Betriebsspannungen und -strömen, reduzierten Leitungs- und Wärmeverlusten sowie kompakteren Formfaktoren erfordert jedoch von der Produktentwicklung den Einsatz fortschrittlicher Siliziumkarbid-(SiC)-MOSFET-Technologie. Diese Technologie muss sorgfältig mit den hinzukommenden MOS-gesteuerten Thyristoren und Fast-Recovery-Brückengleichrichtern abgestimmt werden, um das optimale Leistungsumwandlungssystem zu erhalten.

Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Anforderungen an Schaltstromversorgungen für das Beispiel eines Elektrofahrzeugladegeräts. Anschließend werden SiC-MOSFETs von IXYS/Littelfuse vorgestellt, ihre Fähigkeiten untersucht und gezeigt, wie die Kombination verschiedener Bauelementtechnologien, die jeweils für bestimmte Schaltungsfunktionen optimiert sind, effizientere und kompaktere Leistungsumwandlungssysteme schafft.

Überblick über moderne Schaltstromversorgungen am Beispiel einer öffentlichen Schnellladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge

Effizienz ist ein charakteristisches Merkmal von SMPS, aber moderne Hochleistungsanwendungen treiben diese Designs zu neuen Extremen. Gehen wir einmal von den Anforderungen an ein öffentliches DC-Schnellladegerät aus, z. B. ein Level-3-System mit einer Leistung von bis zu 350 kW. Eine Effizienzeinbuße von 1 % führt zu einer Leistungsverschwendung von 3,5 kW, was sowohl die Betriebskosten als auch die Wärmebelastung deutlich erhöht.

Hochleistungsfähige SiC-MOSFETs sind von zentraler Bedeutung für eine höhere Effizienz. Ihre Fähigkeit, mit hoher Frequenz zu schalten und gleichzeitig einen niedrigen Leitungswiderstand beizubehalten, ermöglicht kleinere passive Komponenten und reduziert Wandlungsverluste. Leider machen dieselben Faktoren SiC-MOSFETs für transiente Spannungsspitzen anfällig. Daher erfordern hocheffiziente Designs in der Regel erweiterte Schutzkonzepte.

Außerdem sind SiC-MOSFETs nicht in jeder Hinsicht die beste Lösung für ein Level-3-Ladegerät. Öffentliche Ladegeräte benötigen beispielsweise ein Hilfsstromsystem für Kühlmittelpumpen, Netzwerkkommunikation und andere Systemfunktionen. Diese Systeme müssen auch dann betriebsbereit bleiben, wenn der primäre Ladepfad unterbrochen wird. Hier kann ein hochzuverlässiges Bauelement auf Basis von Silizium-(Si)-Dioden die bessere Wahl sein.

Es ist wichtig, die Anforderungen der einzelnen Bereiche einer DC-Schnellladestation zu verstehen und sorgfältig die geeignete Bauelementtechnologie auszuwählen.

Verwendung niederohmiger SiC-MOSFETs für die DC/DC-Hochleistungswandlung

Die DC/DC-Wandlerstufe eines Level-3-Schnellladegeräts veranschaulicht die Herausforderungen des modernen Schaltstromversorgungsdesigns. Mit Ausgangsspannungen von bis zu 1 Kilovolt (kV) erforderte diese Stufe traditionell entweder hochspannungsfähige SI-Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (insulated gate bipolar transistors, IGBTs) oder einen hochspannungsfähigen SiC-MOSFET. Beide Ansätze konnten zu Effizienzeinbußen führen: IGBTs durch hohe Schaltverluste und im Falle einiger SiC-MOSFETs der frühen Generation durch relativ hohe Leitungsverluste. Beispielsweise hatten einige Hochvolt-SiC-MOSFETs der frühen Generation einen Einschaltwiderstand (R_DS(ON)) im Bereich von 100 mΩ.

Die SiC-MOSFET-Familie IXSJxxN120R1 von Littelfuse bietet eine überzeugende Lösung für dieses Dilemma. Diese Familie kombiniert eine Sperrspannung von bis zu 1200 Volt mit einem R_DS(ON) von nur 18 mΩ. Dieser niedrige Widerstand minimiert Leitungsverluste und bietet eine überlegene thermische Performance.

Die Bauelemente sind in einem isolierten Keramikgehäuse mit einer Isolierung bis 2.500 V_AC (1 Minute) untergebracht. Dieses Design senkt den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Kühlkörper und reduziert elektromagnetische Störungen (electromagnetic interference, EMI) durch Minimierung der Streukapazität zum Kühlkörper, während das gängige TO-247-3L-Gehäuse für eine einfache Integration sorgt.

Ein typisches Beispiel ist der IXSJ43N120R1 (Abbildung 1). Dieser Baustein ist für einen Dauerdrainstrom I_D von 45 A bei +25 °C ausgelegt, bei einem R_DS(ON) von 36 mΩ (typisch). Hierzu kommen eine niedrige Gate-Ladung von 79 nC und eine Eingangskapazität von 2453 pF, was sich für Designs mit kleineren magnetischen Bauteilen eignet.

Abbildung 1: Der 1.200-V-SiC-MOSFET IXSJ43N120R1 ist in einem isolierten TO-247-3L-Gehäuse untergebracht und auf einen Dauerdrainstrom (I_D) von 45 A bei +25 °C und einen R_DS(ON) von 36 mΩ (typisch) ausgelegt. (Bildquelle: Littelfuse)

Durch die Reduzierung von Leitungsverlusten bei gleichzeitiger Beibehaltung der Hochspannungssperrfähigkeit ermöglicht die Familie IXSJxxN120R1 es, Umrichtertopologien in der Entwicklung zu vereinfachen, den thermischen Overhead zu reduzieren und die Gesamteffizienz des Systems zu maximieren.

Minimierung von Schaltverlusten in aktiven Frontends

In anderen Teilen eines DC-Schnellladegeräts können Schaltverluste kritischer sein als der Leitungswiderstand. So zum Beispiel im aktiven Frontend, das Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und gleichzeitig die Stromwellenform so anpasst, dass sie die Anforderungen bezüglich Leistungsfaktorkorrektur (power factor correction, PFC) und Oberschwingungen erfüllt. Da diese Stufe erhöhte Schaltfrequenzen nutzt, um die Größe von Induktivitäten und Filtern zu minimieren, spielen Schaltverluste eine wichtige Rolle für die Gesamteffizienz.

Die SiC-MOSFET-Serie LSIC1MO120E von Littelfuse ist für solche Hochfrequenzanwendungen optimiert. Diese Bausteine kombinieren eine Sperrfähigkeit von 1.200 Volt mit geringen dynamischen Verlusten und eignen sich daher gut für PFC-Aufwärtswandler in DC-Schnellladegeräten und anderen netzgekoppelten Systemen.

Der LSIC1MO120E0080 (Abbildung 2) ist beispielsweise für einen Dauerdrainstrom (I_D) von 39 A bei +25 °C ausgelegt und gleicht einen respektablen R_DS(ON) von 80 mΩ (typisch) mit einer niedrigen Schaltenergie von 252 μJ pro Zyklus aus. Ein erweiterter Sperrschichttemperaturbereich von -55 °C bis +175 °C bietet zusätzlichen Designspielraum für Außeninstallationen, bei denen die Umgebungsbedingungen stark variieren.

Abbildung 2: Der SiC-MOSFET LSIC1MO120E0080 ist für Hochfrequenzanwendungen optimiert. (Bildquelle: Littelfuse)

Die Serie LSIC1MO120E ist in einem nicht isolierten TO-247-3-Gehäuse untergebracht. Durch die Kombination des schaltverlustoptimierten LSIC1MO120E im Frontend mit dem leitungsverlustoptimierten IXSJxxN120R1 in der DC/DC-Stufe kann der Wirkungsgrad über die gesamte Schnellladekette optimiert werden.

Erweiterter Schaltungsschutz mit MOS-gesteuerten Thyristoren

Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, müssen DC-Schnellladesysteme bei Fehlern netzinduzierten Überspannungen sowie plötzlichen Energieentladungen aus dem Zwischenkreis standhalten. Zu diesem Zweck kommen häufig Schutzvorrichtungen im Stile von Überspannungsableitern zum Einsatz, um empfindliche Systeme vor solchen Gefahren zu schützen, aber mit steigender Leistung benötigen diese Schutzsysteme eine höhere Strombelastbarkeit und schnellere Reaktionszeiten. Ein MOS-gesteuerter Thyristor wie der MMIX1H60N150V1 (Abbildung 3) in einem 24-SMPD-Gehäuse eignet sich hier hervorragend.

Abbildung 3: Der MOS-gesteuerte Thyristor MMIX1H60N150V1 besitzt ein 24-SMPD-Gehäuse. (Bildquelle: IXYS/Littelfuse)

Drei Attribute empfehlen ihn für den Einsatz in Überspannungsableitern von DC-Ladegeräten:

• Hohe Stoßstromfestigkeit: Mit einer Nennstoßstrombelastbarkeit von 32 Kiloampere (kA) für 1 Mikrosekunde (μs) und 11,8 kA für 10 μs kann der Baustein hohe Spitzen absorbieren, ohne nachgeschaltete SiC-MOSFET-Stufen zu beeinträchtigen.
• Schnelle Auslösung: Eine Verzögerung von 50 Nanosekunden (ns) und eine Stromanstiegszeit von 100 ns ermöglichen das schnelle Begrenzen von Überspannungen, bevor sie sich zum Wandler ausbreiten.
• Integrierte antiparallele Diode: Dieses Merkmal ermöglicht es dem Bauelement, bidirektionale Fehlerströme zu absorbieren, was eine wichtige Absicherung gegen Zwischenkreisstörungen darstellt.

Zusammengenommen machen diese Eigenschaften den MMIX1H60N150V1 zu einer robusten Wahl für den Schutz von DC-Schnellladesystemen mit einer hohen Leistung.

Sicherstellung der Anlagenverfügbarkeit und Hilfsstromversorgung mit Brückengleichrichtern

Über den primären Strompfad hinaus benötigen öffentliche DC-Schnellladegeräte Hilfsstrom für Systeme wie Kühlpumpen, Zahlungsterminals, Displays und Kommunikationsverbindungen. Der Brückengleichrichter VBE60-06A (Abbildung 4) ist so konzipiert, dass er die hohe Verfügbarkeit bietet, die für diese kritischen Funktionen erforderlich ist.

Abbildung 4: Der Brückengleichrichter VBE60-06A verfügt über Schraubenlöcher für eine einfache Montage. (Bildquelle: IXYS/Littelfuse)

Der VBE60-06A basiert auf der HiPerFRED-Technologie (high-performance, fast recovery diode - Hochleistungsdiode mit schneller Wiederherstellung) und kombiniert geringe Leitungsverluste mit weichen Sperrverzögerungseigenschaften. Drei ihrer Attribute sprechen besonders für den Einsatz in anspruchsvollen Infrastrukturanwendungen:

• Hohe Leistungskapazität: Mit einer Sperrspannung von 600 Volt und einem Brückenausgangsstrom von 60 A bietet der Baustein einen ausreichenden Spielraum für die Leistungsminderung in Außengeräten, die über einen großen Temperaturbereich dauerbetrieben werden müssen.
• Geringe EMI: Eine Sperrverzögerungszeit von nur 35 ns und eine weiche Wiederherstellung minimieren in Kombination Schaltverluste und reduzieren die hochfrequenten Emissionen, die EMI verursachen können. Die Minimierung von EMI ist entscheidend für Systeme, die empfindliche Kommunikations- und Steuerelektronik enthalten.
• Robuster Betrieb: Der Gleichrichter ist Avalanche-geschützt und bietet eine zuverlässige Funktion unter transienten Bedingungen. Das branchenübliche SOT-227B-Miniblock-Gehäuse bietet eine Isolierung von 3.000 Volt, verbessert die Systemsicherheit und vereinfacht die Integration in Hochspannungsbaugruppen.

Durch die zuverlässige und elektromagnetisch unverrauchte gleichgerichtete Stromversorgung für Hilfssubsysteme unterstützt der VBE60-06A die Betriebszeit- und Verfügbarkeitsziele, die für öffentliche Ladenetze unerlässlich sind.

Konzeption kompletter Systemlösungen für Schaltstromversorgungsanwendungen

Die Grundsätze für das Systemdesign, die für Elektrofahrzeug-Schnellladegeräte besprochen wurden, sind direkt auf andere anspruchsvolle Schaltstromversorgungsanwendungen übertragbar. Bei Solarwechselrichtern hängt ein maximiertes Energy Harvesting beispielsweise von der Minimierung sowohl der Leitungs- als auch der Schaltverluste in der Nachführungsstufe für den maximalen Leistungspunkt und der Wechselrichterstufe ab. Durch den kombinierten Einsatz geeigneter SiC-MOSFETs können beide Ziele erreicht werden, während ein robuster Überspannungsschutz mit MOS-gesteuerten Thyristoren die Langlebigkeit und Betriebszeit des Systems gewährleisten kann.

Industrielle Motorantriebe werfen ähnliche Probleme auf. Das Schalten mit hoher Frequenz ermöglicht eine präzise Motorsteuerung bei gleichzeitiger Reduzierung von Vibrationen, erhöht aber auch die Wärmebelastung. Verlustarme SiC-MOSFETs tragen dazu bei, diesen Anforderungen gerecht zu werden, die Effizienz zu verbessern und die Betriebskosten zu senken. Gleichzeitig ist in elektrisch anspruchsvollen Industrieumgebungen der reaktionsschnelle Hochstromschutz von MOS-gesteuerten Thyristoren gefragt, der die für den industriellen Dauerbetrieb erforderliche Zuverlässigkeit sicherstellt.

Darüber hinaus verwenden sowohl Solarwechselrichter als auch industrielle Motorantriebe Hilfsenergie für die Steuerung, Überwachung und andere kritische Systeme. Diese Funktionen erfordern eine zuverlässige und elektromagnetisch unverrauschte Stromquelle, eine Rolle, die von Gleichrichtern mit robuster Auslegung, weicher Wiederherstellung und geringen EMI erfüllt werden kann.

Schließlich unterstützen alle hier vorgestellten Lösungen einen breiten Betriebstemperaturbereich von mindestens -40 °C bis +150 °C, wobei sich einige Bauelemente für noch extremere Temperaturen eignen. Große Betriebstemperaturbereiche stellen sicher, dass die Komponenten in rauen den Umgebungen, in denen Elektrofahrzeugladegeräte und andere Schaltstromversorgungssysteme eingesetzt werden, langfristig zuverlässig funktionieren.

Fazit

Die Entwicklung zuverlässiger, effizienter DC-Schnellladegeräte erfordert eine Vielzahl von hochleistungsfähigen Bauelementen. Jeder Funktionsblock stellt seine eigenen Anforderungen an die Komponenten, von der Schalteffizienz über Leitungsverluste bis hin zur Langzeitzuverlässigkeit. Littelfuse wird diesen vielfältigen Anforderungen gerecht mit einem Portfolio, das Schalten, Gleichrichten und Schutz umfasst und es ermöglicht, komplette Lösungen auf Systemebene zu entwickeln. Diese Vorteile gelten für alle Schaltstromversorgungsanwendungen und liefern die Entwicklungswerkzeuge, um die anspruchsvollen Anforderungen verschiedener Märkte zu erfüllen.