Hochspannungslösungen für Hybrid- und E-Fahrzeuge

Unter den gängigen Topologien befindet sich ein phasenversetzt arbeitender Vollbrückenwandler als sekundäre Stufe, bei der es sich um einen Gleichspannungswandler handelt. Eine LLC-Topologie kann durch Schalten im Strom-Nulldurchgang den Wirkungsgrad weiter verbessern, auch wenn sich der Regelungsaspekt hier etwas komplexer gestaltet.

Der alles entscheidende Faktor in einem OBC ist die Leistungsdichte. Deshalb fällt die Wahl bei Systemen mit 3,3 kW Leistung auf Leistungs-MOSFETs. Es gibt einen Trend zur Modularisierung dieser Systeme, um das Skalieren auf 6,6 kW, 11 kW usw. zu ermöglichen. Außerdem sondieren Automobilhersteller die Möglichkeit zur Verwendung von Hochspannungs-Batterien mit mehr als 400 V für Schnellladegeräte mit bis zu 20 kW. Das Problem liegt allerdings in der Wärmeentwicklung, und so ist neben der Reduzierung der Abmessungen auch der Umgang mit den thermischen Problemen ein entscheidender Faktor in dem Bemühen, den Wirkungsgrad zu steigern. Es gilt dabei die Restriktionen von Leistungs-MOSFETs zu überwinden.

Wenn Leistungen von mehr als 6,6 kW mit den entsprechenden hohen Temperaturen ins Spiel kommen, geht es nicht mehr ohne Kühlsysteme wie zum Beispiel große, wasserummantelte Kupferblöcke. Dies wirkt sich zwangsläufig auf die Abmessungen, das Gewicht und die Kosten aus. Wide-Bandgap-Halbleiter wie z. B. Siliziumkarbid (SiC) können dagegen mit deutlich höheren Sperrschichttemperaturen betrieben werden, und die Wärmeleitfähigkeit ist zwei- bis dreimal höher als die von Silizium. Auch die Durchbruchspannung ist größer, und nicht zuletzt können diese Halbleiter bei vernachlässigbaren Verlusten mit deutlich höheren Frequenzen schalten.

Dank der höheren Betriebstemperaturen von SiC lassen sich die Schaltungen wesentlich näher an Bereichen platzieren, an denen hohe Temperaturen herrschen, und die größere Wärmeleitfähigkeit erlaubt den Verzicht auf wasserummantelte Kupferblöcke. Wenn zudem mit höheren Schaltfrequenzen im Bereich von 50 bis 100 kHz gearbeitet werden kann, lassen sich die Gesamtabmessungen der Leistungsschaltungen reduzieren.

In beiden Stufen eines OBC-Subsystems dient ein zu jedem Controller gehörender Gatetreiber zum Ansteuern der Leistungsschalter. Die Gatetreiber verwandeln die vom Controller kommenden PWM-Signale in die Gate-Impulse, mit denen die Leistungsschalter ein- oder ausgeschaltet werden. Wegen der hohen Batteriespannung ist im Gleichspannungswandler eine galvanische Isolation vorhanden, die mithilfe eines Übertragers zwischen Gatetreiber und Leistungsschalter implementiert ist. Abhängig von der im Einzelfall geforderten Sicherheitsstufe ist hier in der Regel eine verstärkte Isolation notwendig.

Ein neuer Trend ist dagegen die Verwendung von Gatetreibern mit integrierter Isolation, die sowohl die benötigte Leiterplattenfläche als auch die Kosten und das Gewicht verringern und sich gleichzeitig durch ein hohes Maß an Störbeständigkeit und Robustheit auszeichnen. Für die Gatetreiber und zur Bereitstellung einer geregelten Spannung für de Controller wird eine Hilfsstromversorgung benötigt. Dabei handelt es sich um ein Offline-Stromversorgungs-IC, das aus der Hochspannungs-Batterie (d. h. mit 400 V oder mehr) gespeist wird und, abgestimmt auf den Bedarf der Controller und der Gatetreiber, eine geregelte Ausgangsspannung erzeugt. Die gängigste Topologie für diese Stromversorgungen ist der Sperrwandler. Die Auswahl an entsprechenden Stromversorgungs-ICs ist groß und bietet je nach der benötigten Leistung, der Zahl der Ausgänge und der Regelgenauigkeit viele Optionen.

Der Traktionswechselrichter

Motoren sind notwendig, um elektrische Energie in mechanische Energie für den Vortrieb des Fahrzeugs umzuwandeln. Traditionell setzte man hierfür Gleichstrommotoren ein, weil sie einfach aufgebaut und unkompliziert anzusteuern sind. Wechselstrommotoren haben demgegenüber den Vorteil eines höheren Wirkungsgrads.

Bei den Controllern für AC-Motoren wurden enorme Fortschritte gemacht. Allerdings ist es bei diesen Motoren notwendig, die in der Batterie oder im Kraftstoff enthaltene Energie von Gleich- in Wechselstrom zu verwandeln. Hierzu dienen die so genannten Traktionswechselrichter, deren Leistung üblicherweise im zweistelligen Kilowattbereich liegt (50 kW und mehr).

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