Technologie-Enabler für schnellere, sicherere und hocheffizientere EV-Ladegeräte

Dieser Artikel befasst sich mit Halbleitertechnologien, die Ladegeräte für Elektrofahrzeuge antreiben, darunter Hochspannungs-Halbleiterschalter, Leistungswandler und mehrstufige komplexe Leistungsstufen.

Mit der steigenden Zahl von Elektrofahrzeugen (EVs) besteht ein wachsender Bedarf an energieeffizienteren Ladeinfrastruktursystemen, die Fahrzeuge schneller denn je laden können. Neue Elektrofahrzeuge haben höhere Reichweiten und größere Batteriekapazitäten als ihre Vorgänger, was die Entwicklung von schnellen DC-Ladelösungen erforderlich macht, um die Schnellladeanforderungen zu erfüllen. Es dauert ungefähr 30 Minuten, bis eine 150- oder 200-kW-Ladestation ein Elektrofahrzeug bis zu 80 % aufgeladen hat, was für eine Fahrt von ungefähr 250 km ausreicht. Eine DC-Schnellladestation nach den Standards Combined Charging System und Charge de Move kann eine Leistung von bis zu 400 kW liefern.

Heute werden wir uns Halbleitertechnologien ansehen, die schnellere, sicherere und effizientere Ladegeräte antreiben:

• Hochspannungs-Halbleiterschalter (Bipolartransistor mit isoliertem Gate [IGBT] und Siliziumkarbid [SiC]) treiben die Busspannungen (800 V oder 1.000 V) im System hoch. Mit erhöhten Systemspannungen werden Isolationstechnologien benötigt, um die allgemeine Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
• Da Leistungswandler schnellere Schaltfrequenzen (Hunderte Kilohertz bis einige Megahertz) erreichen können, verringert der Betrieb bei diesen hohen Frequenzen die Größe der magnetischen Komponenten und anderer passiver Geräte, die in der Schaltung verwendet werden, was dann die Systemkosten senkt und insgesamt verbessert Leistungsdichte. Daher besteht ein Bedarf an Strom- und Spannungserfassung mit hoher Bandbreite, um die digitalen Leistungsstufen genau zu steuern und zu schützen.
• Höhere Effizienz erfordert die Verwendung von mehrstufigen komplexen Leistungsstufen, was wiederum den Bedarf an isolierten Hochspannungs-Gate-Treibern erfordert, um diese Leistungsstufen effizient zu schalten und die Gesamtschaltverluste zu reduzieren, während gleichzeitig verstärkte Isolations- und Kurzschlussschutzfunktionen enthalten sind .

Werfen wir einen genaueren Blick auf diese Technologie-Enabler.

Isolationstechnologien

Bei Ladegeräten für Elektrofahrzeuge ist die Einhaltung der Sicherheit von entscheidender Bedeutung, da sie direkt mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden sind. Die Isolierung ist notwendig, um die Sicherheit des Bedieners zu gewährleisten, Prozessoren in Hochspannungs-Leistungswandlersystemen vor Beschädigungen zu schützen und Erdschleifen und Potenzialunterschiede zwischen verschiedenen Kommunikationssubsystemen zu verhindern. Leistungsregler mit einer sekundärseitigen Steuerungsarchitektur erfordern eine Isolierung nicht nur in der Leistungsstufe (durch einen Trenntransformator), sondern auch in der Ansteuerschaltung der Steuerung und der zugehörigen Signalaufbereitungsschaltung.

Durch die Schaltvorgänge der Stromwandler verursachte Rauschstörungen können die Systemleistung negativ beeinflussen. Wenn beispielsweise Transienten beim Schalten von Leistungswandlern auftreten, kann eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit Transientenspannungen auf dem Signalpfad verursachen und einen Gleichtaktspannungstransienten erzeugen, der einen Isolator mit hoher Gleichtakttransientenimmunität (CMTI) erfordert, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten .

Steigende Zwischenkreisspannungen in Ladestationen für Elektrofahrzeuge zeigen auch die Bedeutung einer verstärkten Isolierung für die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Bedieners. Abhängig von der Betriebsspannung gibt es drei grundlegende Isolationsklassen:funktional, basisch und verstärkt. Funktionsisolierung, auch Betriebsisolierung genannt, schützt oder isoliert nicht gegen elektrischen Schlag, ist aber für die Funktion eines Produkts erforderlich. Basisisolation ist eine einzelne Isolationsstufe, die einen grundlegenden Schutz gegen Stöße bietet. Die verstärkte Isolierung ist ein einzelnes Isolierungssystem, das einen Stromschlagschutz bietet, der einer doppelten Isolierung entspricht.

Für Halbleiter sind verschiedene Isolationstechnologien möglich:

• Optische Isolierung verwendet LED-Lichtübertragung über eine transparente nichtleitende Isolationsbarriere. Seine Hauptvorteile sind hohe elektrische Isolationswerte und niedrige Kosten. Die optische Isolierung hat jedoch auch lange Laufzeiten, eine geringe Störfestigkeit, einen höheren Ruhestrom und eine schnelle Verschlechterung der Isolierung mit Temperatur und Alter. Diese Einschränkungen beschränken die optische Isolationstechnologie auf kostensensible Stromwandler mit geringerer Geschwindigkeit.
• Die magnetische Isolierung verwendet eine induktive Kopplungsübertragung unter Verwendung eines Transformatorspulendesigns und bietet eine hohe Isolierung bei hohen Frequenzen. Es bietet im Vergleich zur optischen Technologie bessere Laufzeiten, weist jedoch hohe Probleme mit elektromagnetischem Rauschen, eine geringe Rauschimmunität und eine Verschlechterung der Isolierung durch Temperatur und Feuchtigkeit auf.
• Die kapazitive Isolierung verwendet ein sich änderndes elektrisches Feld, um Energie durch die Kapazität zu übertragen. Der Vorteil dieser Technologie ist ihre Fähigkeit, mit hohen Geschwindigkeiten zu arbeiten, und ihr relativ kleines Gehäuse. Es hat die höchste Zuverlässigkeit mit der besten Isolationsstabilität über Temperatur, zusammen mit hohem CMTI und niedrigen Strahlungsemissionen.

Abbildung 1 zeigt die kapazitive Isolierung, die Texas Instruments in seinen isolierten Gate-Treibern, Verstärkern und digitalen Isolatoren verwendet.

Abbildung 1. Kapazitive Isolierung

Strom- und Spannungsmessung mit hoher Bandbreite

Eine EV-Ladeanwendung verwendet Strom- und Spannungsmessung für drei Hauptfunktionen:Überwachung, Schutz und Steuerung. Bei einem Elektrofahrzeug-Ladegerät erfolgt die Umwandlung der Energie aus dem Netz normalerweise in zwei Stufen. Die Leistungsfaktorkorrekturstufe wandelt die Netzspannung in eine stabile Zwischenkreisspannung um. Dann wandelt eine DC/DC-Stufe die Gleichspannung in eine Spannung um, die für den EV-Akku geeignet ist.

Abbildung 2 ist ein Blockdiagramm einer EV-Ladestation, wobei die Strommessstellen mit A und die Spannungsmessstellen mit V gekennzeichnet sind.

Abbildung 2. Blockschaltbild einer EV-Ladestation

Die zunehmende Verwendung von SiC- und Galliumnitrid (GaN)-Schaltern in der Leistungsstufe hat höhere Betriebsfrequenzen (Hunderte von Kilohertz bis einige Megahertz) ermöglicht und gleichzeitig einen verbesserten Wirkungsgrad und eine höhere Leistungsdichte geboten. Diese Leistungsstufen erfordern eine genaue Erfassung schneller Schaltströme für einen zuverlässigen Betrieb des Regelkreises, um einen stabilen Betrieb des Wandlers zu gewährleisten. Schnelle Reaktionszeit, lineare Betriebsübertemperatur und genaue Strom- und Spannungsmessung sind für alle Hochleistungssysteme mit Hochspannungsstufen unerlässlich.

Halbleitertechnologien, die bei der Stromerfassung helfen, können grob in direkte und indirekte Erfassungsmethoden eingeteilt werden. Die direkten Verfahren umfassen ein Abtasten auf Shunt-Widerstandsbasis, indem entweder ein isolierter Verstärker oder ein isolierter Sigma-Delta-Modulator verwendet wird. Der Spannungsabfall über einem Shunt-Widerstand, der typischerweise 50 mV oder 250 mV beträgt (um die Stromwiderstandsverluste auf ein Minimum zu beschränken), bildet den Eingang zu dieser Stufe.

Bei einem isolierten Verstärker wird eine skalierte Verstärkung eines Niederspannungssignals an einen externen Controller gesendet, um präzise Strommessungen auf Hochspannungsschienen unter Beibehaltung der elektrischen Isolierung durchzuführen.

Ein isolierter Sigma-Delta-Modulator moduliert den Spannungsabfall über den Shunt direkt in einen digitalen Bitstrom, der bei direkter Verbindung mit dem Sigma-Delta-Peripheriegerät eines Mikrocontrollers eine viel höhere Bandbreite ermöglicht. Eine höhere Signalbandbreite sorgt für schnelle und präzise Strommessungen und eine genaue Darstellung des Schaltsignals zur Ansteuerung der Leistungsstufe des Wandlers.

Die Messung auf Shunt-Basis wird bevorzugt, da dieses Verfahren im Vergleich zu Hall-Effekt-basierten Lösungen mit einfacher einmaliger Kalibrierung eine bessere DC-Genauigkeit über der Temperatur erreichen kann. Shunt-basierte Lösungen sind aufgrund ihrer begrenzten Empfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern viel genauer, insbesondere bei niedrigen Strömen. Lösungen auf Shunt-Basis sind über den gesamten Spannungsbereich linear, insbesondere im Nulldurchgang und in der Nähe des Sättigungsbereichs des Magnetkerns. Diese Lösung bietet außerdem eine verstärkte Isolierung bis 5 kV und einen reduzierten Formfaktor im Vergleich zu Hall-Effekt-Sensoren.

Bei indirekten Verfahren wird das Magnetfeld um den stromdurchflossenen Leiter erfasst. Hall-Effekt-Sensoren bieten beispielsweise eine indirekte Messung des Magnetfelds, das um einen Leiter herum erzeugt wird, indem sie den durch ihn fließenden Strom messen. Open-Loop-Hall-Effekt-Sensoren sind mit einer Bandbreite von bis zu 1 MHz erhältlich. Closed-Loop-Sensoren haben eine Bandbreite von 350 kHz und bieten eine bessere Leistung im Vergleich zu Open-Loop-Hall-Effekt-Sensoren, kosten aber auch mehr.

Aufgrund ihrer überlegenen Bandbreite und Reaktionszeit bieten Open- und Closed-Loop-Hall-Effekt-Sensoren einen besseren Schutz für SiC-Switches-over-Shunt-Lösungen bei Kurzschlussbedingungen, insbesondere beim Schalten bei hohen Frequenzen. Die Kurzschlussfestigkeit von SiC-Schaltern beträgt typischerweise 1-3 µs und erfordert eine schnelle Erkennung, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Der Spannungsabfall am Inline-Shunt führt im Vergleich zu Hall-Effekt-basierten Lösungen zu Wärmeverlusten und Leistungsverlusten, insbesondere wenn die gemessenen Ströme ansteigen.

Isolierte Gate-Treiber

Hochgeschwindigkeits-Gate-Treiber sind entscheidend für den Aufbau eines Leistungsmoduls mit hoher Effizienz, hoher Leistungsdichte sowie Zuverlässigkeit und Robustheit. Die Gate-Treiber bilden eine Schnittstelle zwischen dem Pulsbreitenmodulator auf einem Controller und dem Hochleistungsschalter. Hochleistungs-Leistungsmodule auf SiC-/IGBT-Basis erfordern Gate-Treiber mit der Fähigkeit, Spitzenströme mit extrem hohen Geschwindigkeiten zu erzeugen und zu senken, wodurch Ein- und Ausschaltzeiten minimiert und dadurch Schaltverluste minimiert werden. Gate-Treiber müssen:

• Seien Sie flexibel, um denselben Treiber mit breiten Betriebsspannungen und verschiedenen Arten von Leistungsschaltern zu verwenden.
• Sei robust für den Betrieb in lauten Umgebungen und extremen Temperaturbedingungen.
• Verfügen Sie über minimale Einschaltverzögerungen, um ein schnelleres Schalten eines Feldeffekttransistors (FET) zu ermöglichen, die Leitungszeit der Body-Diode zu minimieren und somit die Effizienz zu verbessern.
• Verfügen Sie über eine gute Verzögerungsanpassung, um die Ansteuerung von parallel geschalteten Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) mit minimaler Einschaltverzögerungsdifferenz sicherzustellen.

Bei Hochspannungsanwendungen bieten verstärkte isolierte Gate-Treiber eine erhöhte Systembelastbarkeit gegen Überspannungen (CMTI), Kriechströme, die durch Potenzialunterschiede verursacht werden, und andere anomale Ereignisse, die das System zu beschädigen drohen.

Abhängig von der Platzierung des Controllers ist wahrscheinlich eine Isolierung zwischen dem Controller und dem Treiber erforderlich. Eine traditionelle Methode zur Isolierung besteht darin, einen separaten Transformator mit einem nicht isolierten Gate-Treiber zu verwenden. Ein integrierter Gate-Treiber hat eine ähnliche oder bessere Ausbreitungsverzögerung als eine diskrete Transformatorlösung, während er bis zu 50 % weniger Fläche einnimmt. Darüber hinaus kann ein integrierter Gate-Treiber so angepasst werden, dass er eine CMTI von mehr als 100 V/ns liefert, eine Zahl, die deutlich höher ist als die, die mit der diskreten Lösung erreichbar ist. CMTI ist ein Schlüsselparameter, der die Robustheit eines Gate-Treibers bestimmt.

Für den zuverlässigen Betrieb des Wandlers sind Schutzfunktionen in Gate-Treibern erforderlich. Aufgrund der Vorteile einer verbesserten Leistungsdichte und Effizienz sind SiC und GaN für verschiedene Anwendungen zu einem potentiellen Ersatz für Silizium-IGBTs geworden. Ein SiC-MOSFET hat strengere Anforderungen an den Kurzschlussschutz; die Kurzschlussfestigkeit beträgt 1 bis 3 µs im Vergleich zu einem IGBT, der bei etwa 10 µs liegt. Ein in den Gate-Treiber integrierter DESAT-Pin ist entscheidend für eine schnelle Reaktion bei der Erkennung von Kurzschlüssen. Eine integrierte Unterspannungssperre und eine aktive Miller-Klemme sind auch wichtig, um ein falsches Einschalten in FETs zu verhindern, die in Halbbrückenanwendungen verwendet werden.

Der Bedarf an tragbaren Gleichstrom-Schnellladegeräten mit natürlicher Konvektionskühlung (die leicht aufgenommen und hinten im Kofferraum eines Elektrofahrzeugs aufbewahrt werden können) bringt die Grenzen der Entwicklung von Elektrofahrzeug-Ladegeräten mit modernster Leistungsdichte und Effizienz. GaN-basierte Schalter mit integrierten Gate-Treibern bieten einen Einschaltwiderstand, schnelles Schalten und eine niedrige Ausgangskapazität und unterstützen das Design von EV-Ladegeräten mit einer um bis zu einem Drittel verbesserten Leistungsdichte. Resonanzarchitekturen, die üblicherweise in EV-Ladegeräten verwendet werden, profitieren auch von einer Nullspannungs- und Nullstromschaltung, die Schaltverluste mindern und die Gesamtsystemeffizienz verbessern.

Schlussfolgerung

Hohe Leistungsdichte, Zuverlässigkeit und Robustheit werden bei Stromrichtern in EV-Ladestationen immer wichtiger. Bei steigenden Leistungs- und Spannungspegeln ist es wichtig, sowohl Menschen als auch Geräte vor gefährlichen Betriebsbedingungen zu schützen.

Hersteller, die auf effiziente Ladegeräte mit hoher Leistungsdichte abzielen, werden IGBT-, SiC- und GaN-basierte Stromrichter mit Schaltfrequenzen von Hunderten von Kilohertz bis zu einigen Megahertz einsetzen. Hochfrequenz-Strom- und Spannungssensoren werden für die Entwicklung auf diesen Plattformen von entscheidender Bedeutung sein.

Die Smart-Gate-Treiber-Technologie wird die erforderlichen hohen Spannungspegel, schnelle Schaltgeschwindigkeiten und die Notwendigkeit eines schnellen Schutzes ermöglichen. Angesichts der Fortschritte, die die Halbleitertechnologie in den letzten zehn Jahren gemacht hat, könnte es bald möglich sein, ein Elektrofahrzeug während einer kurzen Kaffeepause vollständig aufzuladen.

Dieser Artikel wurde von Harish Ramakrishnan, einem Systemingenieur bei Texas Instruments, mitverfasst.

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