Einführung zu DC-Schnellladegeräten und Spannungsversorgungstopologien für Elektrofahrzeuge

Trotz der Schlagzeilen über eine Verzögerung bei der Einführung von Elektrofahrzeugen wurden in den USA im Jahr 2023 mehr als eine Million Elektrofahrzeuge verkauft. Parallel zu diesem Anstieg der Zahl an Elektrofahrzeugen wächst auch die Ladeinfrastruktur schnell, um Schritt zu halten.

Es gibt drei primäre Ladegerätimplementierungen: L1, L2 und L3:

L1 ist die langsamste und am wenigsten leistungsfähige Lösung, die eine Standardquelle mit 120 VAC verwendet. L2 verwendet eine Stromquelle mit 240 VAC und lädt sechs- bis achtmal schneller als L1-Lösungen.

Sowohl L1- als auch L2-Lösungen speisen das Fahrzeug mit Wechselstrom (und werden technisch als EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment) klassifiziert, nicht als eigentliche Ladegeräte). Das Fahrzeug muss den Wechselstrom intern in Gleichstrom wandeln, mit dem dann die Batterie geladen wird.

L3-Ladegeräte speisen das Fahrzeug dagegen direkt mit Gleichstrom, typischerweise mit 400 oder 800 VDC. So kann ein Fahrzeug in weniger als einer Stunde mit Energie für eine Reichweite von einigen Hundert Kilometer ausgestattet werden.

Angesichts dieser sehr unterschiedlichen Implementierungen und der kleineren Unterschiede zwischen bestimmten Anwendungen müssen die Topologien der internen Ladeelektronik berücksichtigt werden. In diesem Artikel beschreiben wir verschiedene AC-DC-Topologien sowie DC-DC-Topologien, die in EV-Anwendungen eingesetzt werden können.

Topologieoptionen für AC-DC-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge

Einphasige Totem-Pole-Konfiguration (Leistungsfaktorkorrektur)

Einphasige Totem-Pole-PFC

Die einphasige Totem-Pole-PFC-Topologie ist ein relativ einfaches Design mit niedrigen Materialkosten. Sie verfügt über zwei Haupttreiberschalter sowie Dioden oder MOSFET mit niedrigem R_DSON für die Gleichrichtung. Dadurch ist sie inhärent für den bidirektionalen Betrieb (z. B. Fahrzeug-zu-Netz, V2G-Laden) geeignet. Der CCM (Continuous-Conduction Mode) ist nur bei Verwendung von SiC- und GaN-Schaltungen sinnvoll, nicht bei Verwendung herkömmlicher Si-Komponenten.

Insgesamt ist diese Topologie trotz der Leitungsverluste aufgrund der hohen Schaltverluste tendenziell weniger effizient. Die Effizienz kann durch die Verwendung von vier anstelle von zwei verschachtelten Leistungsstufentreibern und durch den Einsatz von SiC- und GaN-Schaltungen verbessert werden.

Einphasige Neutralpunktklemmung-Leistungsfaktorkorrektur (NPC-PFC)

Einphasige NPC-PFC

Die einphasige NPC-Topologie wandelt Wechselstrom in positive und negative Gleichspannungsausgänge, mit einem festgelegten (geklemmten) Neutralpunkt zwischen den beiden. Mit dieser Topologie können sehr geringe Verzerrungen mit niedrigerer Spannung über die Leistungsschalter erzielt werden, da jeder DC-Level nur die Hälfte des gesamten DC-Spannungsbereichs abdecken muss (im Unterschied zum Betrieb von Vollbereichsgleichrichtern). Daher können in dieser Topologie kostengünstige MOSFET-Schalter implementiert werden (anstelle von SiC oder GaN). Es werden jedoch vier Schalter und die zugehörigen Treiber benötigt, während in der einphasigen Totem-Pole-PFC-Topologie nominell nur zwei erforderlich sind.

Das aktive Schalten ermöglicht den bidirektionalen Betrieb. Wenn extrem hohe Leistung benötigt wird, kann diese Topologie mit GaN/SiC-Schaltungen noch weiter verbessert werden.

Dreiphasige zweistufige Leistungsfaktorkorrektur (PFC)

Dreiphasige zweistufige PFC

Die dreiphasige zweistufige PFC-Topologie ist eine Aufwärts-Gleichrichterschaltung mit sechs Schaltern. Sowohl vom Standpunkt der Stückliste als auch der Schaltungen handelt es sich um eine einfache Topologie, die einen bidirektionalen Stromfluss mit angemessener Effizienz ermöglicht.

Und während dies eine elegante und einfache Implementierung einer bidirektionale Dreiphasen-Stromwandlung ist, hat diese Topologie doch auch einige Nachteile. Im Unterschied zu einigen anderen hier erörterten Topologien müssen Schalter die Busspannung vollständig blockieren können. Für einen 800-VDC-Ausgang werden beispielsweise SiC-Schalter mit einem Nennwert von 1200 V oder ähnlich leistungsfähige Geräte zur Regelung benötigt. Für den ordnungsgemäßen Betrieb wird außerdem ein Filterinduktor benötigt, um den Eingangsstrom so zu regulieren, dass sich ein niedriger Gesamtklirrfaktor ergibt. Die elektromagnetischen Störungen sind im Vergleich zu anderen PFC-Topologien hoch und die Spannungsbeanspruchung der Komponenten über den gesamten Spannungsbereich können die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

Vienna-Gleichrichter

Vienna-Gleichrichter

Der 1993 patentierte Vienna-Gleichrichter eignet sich für die dreiphasige Leistungsfaktorkorrektur bei hoher Leistung. Er kann im CCM (Continuous Conduction Mode) arbeiten und ist relativ einfach zu steuern. Diese Topologie ermöglicht im Vergleich zu zweistufigen PFC-Konfigurationen eine höhere Effizienz bei erhöhten Schaltfrequenzen, indem gemäß dem dreistufigen Design Si-MOSFET oder IGBT und SiC-Schottky-Dioden verwendet werden. Die Vienna-Gleichrichtertopologie zeichnet sich durch hohe Effizienz und niedrigen Gesamtklirrfaktor aus.

Ein charakteristischer Nachteil des Vienna-Gleichrichters besteht darin, dass er nominell nur eine unidirektionale Leistungswandlung von Wechselstrom aus dem Stromnetz für Gleichstromanwendungen (z. B. das Laden von Elektrofahrzeugen) unterstützt. Eine bidirektionale Spannungsversorgung kann jedoch implementiert werden, indem die Leistungsdioden durch aktive Schalter ersetzt werden.

Dreiphasiger PFC mit Neutralpunktklemmung (NPC-PFC)

Dreiphasige dreistufige NPC-PFC

Die dreiphasige NPC-Topologie ähnelt der zuvor erörterten einphasige NPC-Topologie und erweitert das Schaltungskonzept auf drei Phasen. Wie bei der einphasigen Version muss jeder Treiber nur die halbe Busspannung verarbeiten. Dies verringert Schaltverluste und Spannungsbeanspruchung und ermöglicht die Verwendung kostengünstigerer 600-V-Komponenten anstelle der 1200-V-Varianten. Die dreiphasige NPC-Topologie kann daher je nach Anforderung mit Si-, SiC- oder GaN-Technologie implementiert werden. Diese Topologie ermöglicht eine bidirektionale Leistungswandlung und ist aufgrund ihrer geringen Schaltverluste und hohen Effizienz eine ausgezeichnete Wahl für Schaltfrequenzen über 50 kHz.

Für die dreiphasige NPC-Regelung sind neun Gate-Treiber erforderlich statt nur vier für die einphasige Version, von denen jeder eine eigene Steuerschaltung benötigt. Zur Verbesserung des Wärmemanagements können NPC-Dioden durch aktive Schalter ersetzt werden. Dadurch entsteht eine ANPC(Active Neutral Point Clamped)-Topologie. Jede dieser NPC-Topologien ist sowohl unter dem Gesichtspunkt der Stückliste als auch dem der Schaltungen recht komplex.

Dreiphasig und dreistufig, TNPC (T-type Neutral Point Clamped)

Dreiphasiger dreistufiger T-type NPC PFC

Diese Topologie arbeitet ähnlich wie der zuvor beschriebene Aufbau einer dreiphasigen und zweistufigen PFC-Schaltung. Jedoch wird jeder dreiphasigen Wechselstromleitung zum Mittelpunkt des Gleichstromzwischenkreises ein aktiver bidirektionaler Schalter hinzugefügt. Auch hier müssen High-Side und Low-Side jeder AC-DC-Wandlung vollständig geschaltet werden. Deshalb werden Schalter benötigt, die diese Regelung bewältigen können (z. B. 1200-V-IGBT und Dioden für einen 800-V-DC-Zwischenkreis). Die bidirektionale Schaltung zum Zwischenkreismittelpunkt muss jedoch nur die Hälfte dieser Spannung regulieren. Deshalb können Komponenten mit niedrigeren Nennwerten verbaut werden.

Insgesamt sind die Wandlungsverluste im Vergleich zu NPC-Topologien gering, die Gesamtschaltverluste sind jedoch aufgrund der Schalter, die zum Blockieren des gesamten Spannungsbereichs verwendet werden, hoch. Im Vergleich zu NPC-Topologien ist die Effizienz höher. Dazu kommt ein etwas einfacheres Layout mit einer geringeren Anzahl an Komponenten. Die Lösung kann zum bidirektionalen Schalten verwendet werden und bietet einen guten Gesamtklirrfaktor.

Topologieoptionen für DC-DC-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge

Neben der Wandlung von Wechselstrom in Gleichstrom muss die richtige Gleichspannung in das Fahrzeug und/oder die Batterie gespeist werden. Auch hier gibt es mehrere Möglichkeiten.

Topologien für Ladestationen für Elektrofahrzeuge – AC/DC

Phasenverschobene Vollbrücke (PSFB)

Phasenverschobene Vollbrücke (PSFB)

In dieser Topologie werden vier Schalter mit einem Induktor auf der Primärseite einer DC-Transformatorbrücke verbaut. Die Phasenverschiebung der Eingangsgleichspannung erfolgt über einen Controller, der Spannung und Strom auf Primär- und Sekundärseite erfasst, aber nur die Schalter auf der Primärseite ansteuert. Auf der Sekundärseite werden Dioden zur Regelung der phasenverschobenen Ausgangsleistung verwendet.

Diese Lösung wird nur für die unidirektionale Energieübertragung verwendet. Der Wirkungsgrad ist typischerweise gering, mit mäßigen Leitungsverlusten und hohen Schaltverlusten. Die Kosten für diese Topologie sind moderat, die Steuerung ist einfach. Deshalb sollte die Lösung für manche Situationen in Betracht gezogen werden.

LLC-Resonanzwandler

LLC-Resonanzwandler

Der LLC-Resonanzwandler ähnelt der PSFB-Topologie, weist jedoch auf Primärseite einen Kondensator auf. Aktive Schalter auf der Primärseite regeln die Eingangsleistung. Das System arbeitet am effizientesten nahe seiner inhärenten Resonanzfrequenz. Dies ermöglicht das spannungslose Einschalten (ZVS, Zero Voltage Switching) und das stromlose Ausschalten (ZCS, Zero Current Switching).

Diese Topologie ermöglicht nur die unidirektionale Leistungsübertragung. Das Layout der Regelung ist vom Standpunkt der gesamten Schaltung mit der bei PSFB identisch. Die tatsächliche Implementierung kann jedoch schwieriger sein, insbesondere im Parallel- und Synchronbetrieb, da häufig eine externe Steuerlogik benötigt wird. Die EMI-Leistung ist besser als bei „hart“ geschalteten Topologien wie PSFB. Der Gesamtwirkungsgrad ist hoch, bei geringen Schaltverlusten und hohen Leitungsverlusten. Die Kosten für die Implementierung sind moderat und normalerweise niedriger als bei einer Konfiguration mit zwei aktiven Bridges.

DAB (Dual Active Bridge)

DAB (Dual Active Bridge)

Das Design des doppelten aktiven Brückenwandlers ist mit der oben beschriebenen PSFB-Topologie nahezu identisch. Aktive Schalter auf der Primärseite sorgen für die Phasenverschiebung. Auf Sekundärseite wird jedoch anstelle von Dioden ein Array aus vier aktiven Schaltern (z. B. SiC- oder GaN-Komponenten) verwendet, um diese Spannungsversorgung zu regeln. Dies ermöglicht eine bidirektionale Leistungsübertragung sowie eine präzisere Regelung der Primär-Sekundär-Wandlung.

Neben der bidirektionalen Nutzung bietet diese aktive Regelung bei sehr geringen Leitungsverlusten eine bessere Gesamteffizienz als PSFB-Topologien. Es treten jedoch weiterhin hohe Schaltverluste auf. Die Regelung ist zwar immer noch unkompliziert, aber komplizierter als im PSFB-Aufbau. Sowohl auf der Sekundär- als auch auf der Primärseite des Transformators muss ein Gate-Treiber verwendet werden. Die Kosten für diese Topologie sind vergleichsweise hoch.

DAB im CLLC-Modus

DAB im CLLC-Modus

Der DAB im CLLC-Modus ist geeignet, wenn höchste Effizienz für die DC-DC-Stufe erreicht werden soll. Er arbeitet wie ein LLC, verwendet jedoch aktive Schalter auf der Sekundärseite und ermöglicht dadurch die Bidirektionalität. Die Lösung ist jedoch auf die Leistungsbereiche der Bordladegeräte beschränkt, da die Parallelschaltung bei dieser Topologie sehr schwierig ist.

Während ein großer Batteriespannungsbereich mit guter Effizienz unterstützt wird, ist der Betriebsbereich bei fester Busspannung sehr eingeschränkt. Das Risiko einer Sättigung des Transformatorkerns wird durch die Kondensatoren sowohl auf Primär- als auch auf Sekundärseite verringert. Der Aufwand für diese Implementierung ist wie beim DAB vergleichsweise hoch.

Relevante Aspekte für die Auswahl einer Ladetopologie für Elektrofahrzeuge

Wenn Sie eine Topologie für die AC-DC-Gleichrichtung sowie die DC-DC-Wandlung im Kontext des Ladens von Elektrofahrzeugen in Betracht ziehen, müssen Sie zunächst entscheiden, ob dreiphasiger oder einphasiger Wechselstrom genutzt werden soll. Anschließend müssen Ladezeit, Zuverlässigkeit, Wärmeentwicklung und Platzbedarf für die Topologie berücksichtigt werden. Nachdem Sie die Gesamttopologie ausgewählt haben, können Sie sich mit den Kosten der einzelnen Komponenten und Schaltungen befassen. Kehren Sie bei Bedarf auf die Ebene der Topologie oder sogar zu Entwurfskriterien höherer Ebene zurück.

Die gute Nachricht ist, dass eine große Palette an Topologien und Komponenten zur Verfügung steht, um die Anforderungen des jeweiligen Projekts zu erfüllen. Wenn Sie einen Ausgangspunkt benötigen, können Sie das 30-kW-Referenzdesign von eInfochips, einem Unternehmen von Arrow, als Einstieg in den Designprozess nutzen.

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