Durch den Umstieg auf SiC MOSFETs können Energiesystem-Entwickler die Leistungsdichte signifikant steigern, die Schaltverluste verringern und das Wärmemanagement bei On-Board-Ladegeräten (OBC) elektrischer Fahrzeuge verbessern.
Energiesysteme in Elektrofahrzeugen (EVs), bordeigenen und externen Akkuladegeräten und anderen Energiespeichersystemen benötigen höhere Energieeffizienz, um mehr Leistung in denselben Formfaktoren zu ermöglichen. Hier optimieren Siliziumkarbid-Geräte Energiesysteme auf eine Weise, die maximale Leistungsdichte, Größen- und Gewichtsverringerung und Erfüllung neuer Energieeffizienznormen ermöglicht.
Herkömmliche aktuelle Leistungsfaktorkorrektur-Schaltkreise (PFC) können die erforderliche Effizienz mit siliziumbasierten Lösungen nur durch Hinzufügen weiterer Komponenten und Steigerung der Designkomplexität erreichen. Ein Umstieg auf SiC MOSFETs erlaubt es Energiesystem-Entwicklern jedoch, auch die strengsten Anforderungen an die Energieeffizienz zu erreichen und sogar zu übertreffen.
Die 650 V SiC MOSFETs mit niedrigem Durchlasswiderstand bietet geringere Leitungsverluste, und die Eigenschaften des Siliziumkarbid minimieren die Einschaltwiderstand-Temperaturschwankungen und können so bei Volllast hohe Effizienz bewahren. Zudem sind sie zum Management der geringen Last und Spitzenlast von Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlern wesentlich, was den insgesamten Energieverbrauch signifikant reduziert.
Dies bedeutet weniger Wärmemanagement und somit kleinere und wirtschaftlichere Kühlkörper sowie weniger kostspielige Kühlteile. Mit besserem Wärmemanagement werden zudem weniger Hilfskomponenten benötigt, wodurch weniger Teile einem Ausfallrisiko unterliegen.
Ein System-Materiallistenvergleich, der 15 % Kostenersparnisse mit SiC MOSFETs belegt
Bidirektionaler Energiefluss in OBCs für EVs
Elektrofahrzeuge verlassen sich stärker auf bordeigene Ladegeräte (OBCs) als Schnelllader. Über die Hälfte (51 %) der Ladevorgänge finden Zuhause statt, weitere 16 %, wenn Elektrofahrzeuge am Arbeitsplatz angeschlossen sind. Die siliziumbasierten MOSFET-Designs von OBCs führen jedoch zu mehr Verschwendung pro Kilowatt, der Endnutzer zahlt also mehr für weniger.
Das OBC-Design von EV-Batteriesystemen ist ein weitere Anwendungsfall, bei dem 650 V SiC MOSFETs einen Wettbewerbsvorteil bieten, da Entwickler die Effizienz steigern und bidirektionalen Energiefluss ermöglichen können, ohne Kompromisse hinsichtlich Gewicht, Größe und Designkomplexität einzugehen. So lassen sich Größe und Gewicht von OBCs, die Wechselstrom aus dem Stromnetz im Fahrzeug in Gleichstrom wandeln, erheblich reduzieren.
Im Gegensatz zu unidirektionalen OBCs, die untätig im Fahrzeug die Ladung verlieren, können bidirektionale OBCs nicht nur Ladung aus dem Netz ziehen, sondern auch einspeisen. Durch diese Bidirektionalität kann der Endnutzer zudem andere Wechselstromgeräte versorgen oder anderen Elektrofahrzeugen Starthilfe geben.
Die auf dem 650 V SiC MOSFETs basierenden OBC-Designs bringen ein Totem-Pole-PFC und einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler in einem Gehäuse unter, um wertvollen Platz im Fahrzeug zu sparen
Die MOSFETs mit Nennspannung 650 V erfüllen zudem die Spannungsanforderungen von EV-Designs.
Geringere Systemkosten mit SiC
Wolfspeed 650 V SiC MOSFETs sind nicht nur für OBCs zur Aufladung von Elektrofahrzeugen ausgelegt, sondern auch für Systeme geeignet, die höhere Energiedichte und Energieeffizienz benötigen, darunter Spannungsversorgungen für Server und Telekommunikation, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Energiespeichersysteme und weitere Anwendungen. Die 15-mΩ und 60-mΩ MOSFETs, die sowohl für unidirektionale als auch bidirektionale OBCs geeignet sind, verringern die Größe sowohl des Wechselstrom-Gleichstrom-PFC-Frontends als auch des mit der Batterie verbundenen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers. Gemäß Goldman Sachs können SiC-Geräte die Fertigungskosten und Gesamtbetriebskosten eines Elektrofahrzeugs um bis zu 2.000 USD pro Fahrzeug reduzieren. Die in einem bidirektionalen 6,6 kW OBC-Referenzdesign verwendeten 650 V SiC MOSFETs bieten eine Spitzeneffizienz von 96,5 % sowohl beim Laden als auch Entladen. Das Referenzdesign auf Grundlage von Wolfspeed C3M0060065D MOSFETs wird mit 90 V AC bis 265 V AC und Batteriespannungen von 250 V bis 450 V betrieben.
Blockdiagramm des 6,6-kW OBC-Referenzdesigns auf Basis von C3M0060065D SiC MOSFETs
Wolfspeed SiC MOSFETs der dritten Generation, auf Grundlage der C3M-Technologie der dritten Generation des Unternehmens, bieten den niedrigsten Einschaltwiderstand sowie niedrigsten Leitungs- und Schaltverlust der Branche. Bei dem 6,6-kW-OBC-Design können 650 V SiC MOSFETs auf Systemebene eine Kostenersparnis von bis zu 15 % erzielen, selbst wenn SiC kostspieliger sind als Silizium-Äquivalente.
Zudem bietet eine SiC-basierte Lösung bei diesem 6,6-kW-OBC-Design eine Leistungsdichte von 3,3 kW/l und 97 % Effizienz gegenüber 2,1 kw/l Leistungsdichte und 94 % Effizienz bei einer siliziumbasierten Lösung. Das System ermöglicht nicht nur geringere Gesamtkosten, sondern zudem Größen- und Gewichtsreduzierungen aufgrund dieser ausgezeichneten Leistungsdichte.
Optimierung gesamter Stromversorgungslösungen
Die Effizienzgewinne durch 650 V SiC MOSFETs wirken sich auf die gesamte Stromversorgungslösung aus. Eine schnellere Schaltgeschwindigkeit und höhere Spannungswandlung am Frontend des OBD-Designs vereinfacht die Konstruktionsanforderungen an den Rest des Energiesystems.
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